普通天文學/星系形成
在宇宙早期，宇宙非常均勻，唯一存在的結構是原始氣體雲密度的小波動。這種氣體雲主要由氫和氦組成，是在大爆炸後的第一個十億年裡，在複合期間形成的。在宇宙微波背景中觀察到原始氣體雲中的微小波動，均勻到十萬分之一，這表明宇宙在複合之後密度分佈。密度略高的區域具有足夠的引力來克服宇宙的膨脹並坍縮成第一個原星系。
隨著時間的推移，由於引力吸引，密度較高的區域開始坍縮，形成了第一個原星系。當宇宙大約有10億歲時，形成了第一個原星系。儘管這些最初的原星系太年輕，還無法形成恆星，但當氣體向內墜落並因碰撞而升溫時，它們會發出紅外輻射。理論上，由於這種發射，原星系是可以觀測到的，但它們非常暗淡且遙遠（大約120億光年），因為它們是大爆炸後形成的最早結構。由於這些困難，原星系從未被觀測到。
當原星系向自身坍縮時，它們開始形成一個獨特的核心和暈，就像成熟的星系一樣。原星系邊緣附近的粒子可以透過與周圍氣體的碰撞而損失能量，並落入核心。據推測，落入的物質形成了大約100個太陽質量的不穩定恆星，這些恆星迅速坍縮成黑洞，這些黑洞在成熟星系的中心被觀測到。隨著物質在整個星系的生命週期中落入黑洞，它會釋放出大量的能量，這些能量已被觀測為類星體和射電星系。
人們認為暗物質存在於原星系中。如果它存在，它與周圍粒子的相互作用較弱。原星系中存在的暗物質保留在暈中，而普通物質則落入核心，因為將物質帶入核心的主要機制是與周圍氣體的碰撞。由於暗物質的相互作用較弱，因此碰撞很少，並且在引力的作用下保留在暈中。
隨著氣體繼續向原星系的核心墜落，它的密度繼續增加，並且開始形成密集的雲。由於角動量守恆，這些雲開始繞原星系的質心執行。當兩個氣體雲碰撞時，它們在碰撞前沿形成了一個密度更高的區域。這些高密度區域變得引力不穩定並坍縮成等離子體球，形成原恆星。隨著物質繼續降落到原恆星上，氘聚變開始，一顆恆星誕生了。當這些恆星開始燃燒併發出光時，由於太陽風，它們會消散周圍的氣體雲，並留下一個星團。這些最初的恆星形成區域可能是球狀星團的來源，其中一些星團的恆星幾乎和宇宙一樣古老。
這些新形成的恆星在它們的核心燃燒氫供應時，形成了新星系中的第一個重元素。氫透過核聚變轉化為更重的元素，直到恆星形成了臨界的鐵質量。鐵非常穩定，更重的元素不會從聚變中釋放熱量，恆星開始耗盡其燃料供應。沒有熱源，恆星會在自身重量下發生災難性的坍縮，最終以超新星結束。
當這些恆星達到生命盡頭時，其中質量最大的恆星會爆發成超新星，其爆炸的光芒可能會超過其母星系的其餘部分。當恆星爆炸時，它透過核聚變過程形成重元素（比氧更重）。這些重元素從爆炸的恆星中噴射到星系氣體雲中。超新星負責重元素的形成和在新形成的星系中的分佈，該星系以前只包含在複合期間形成的氫和氦。
一個新的星系很可能形成橢圓星系或螺旋星系，儘管也存在其他型別的星系（例如環形星系或透鏡狀星系）。形成的星系型別取決於恆星產生的初始速率。如果新星系緩慢形成恆星，那麼氣體雲有足夠的時間透過碰撞交換能量，並且隨著物質落入旋轉平面，雲會伸長成扁平的盤狀螺旋。如果星系快速形成恆星，它可以在交換足夠的能量形成圓盤之前耗盡其氣體供應。這些星系類似於恆星形成之前的初始橢圓形狀。其他理論推測，橢圓星系是由其他螺旋星系的碰撞形成的，這些星系在碰撞後扭曲成橢圓形。
由於橢圓星系的高恆星產生率，它們很快耗盡了氣體供應，並且不再有活躍的恆星形成。因此，橢圓星系主要由古老的第二星族星和大量球狀星團組成。橢圓星系也沒有顯示出螺旋星系特有的有序旋轉，因為它們在形成過程中沒有時間交換足夠的能量。
螺旋星系形成恆星的速度較慢，至今仍在進行恆星形成，因此它們的恆星種群要年輕得多。由於螺旋星系需要很長時間才能形成，因此它們在其生命週期中交換了相當多的能量，這使得物質坍縮成一個具有高角動量的圓盤，從而形成了特徵性的旋轉圓盤。
就像原星系中的氣體雲可以相互作用形成新的星團一樣，整個星系也可以碰撞形成新的星系。當星系彼此靠近時，它們可以開始相互繞轉。如果星系彼此足夠靠近，潮汐相互作用會導致它們的軌道衰減，並且星系相互吞噬。星系的形狀在碰撞過程中可能會高度扭曲，並且恆星形成會增加，為星暴星系提供動力，星暴星系是最明亮的星系之一。這段恆星形成增加的時期可以持續一千萬年或更長時間，恆星形成的速度可以是典型星系的十到一百倍。星系中心的的黑洞也會隨著碰撞物質落入星系核心而顯示出增加的發射。
如果星系彼此靠近但沒有完全碰撞，它們可以透過引力相互作用噴射出大量的物質，將氣體雲和單獨的恆星送入星系際空間。這些近距離碰撞也會扭曲所涉及的星系，並且是形成透鏡狀星系的一種可能的機制。
儘管以前認為大尺度相互作用並不常見，但發現銀河系有幾個較小的星系繞其執行，這表明該過程更為普遍。人馬座矮橢圓星系（或SagDEG）是一個繞銀河系核心執行的小矮星系，半徑約為50,000光年。SagDEG目前正在穿過銀河系的圓盤，並且由於引力相互作用而被嚴重扭曲。大小麥哲倫雲也是矮星系，最終將與銀河系合併。