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Die Theoretische Astronomie besteht in der Anwendung mathematischer Modelle, um Bewegungen und Eigenschaften von Himmelskörpern und deren Physik, Chemie und Entwicklung zu untersuchen. Andere wichtige bzw. angrenzende Fachbereiche sind die Kern- und Astrophysik, die Astrometrie (Positionsastronomie), die Himmelsmechanik, die Stellarstatistik und die Kosmologie. Für die Bestätigung der theoretischen Modelle ist oft auch die Entwicklung neuartiger Messinstrumente und Sensoren wesentlich, z. B. zum Nachweis der Gravitationswellen.