普通天文学/星系形成
在宇宙早期，宇宙非常均匀，唯一存在的结构是原始气体云密度的小波动。这种气体云主要由氢和氦组成，是在大爆炸后的第一个十亿年里，在复合期间形成的。在宇宙微波背景中观察到原始气体云中的微小波动，均匀到十万分之一，这表明宇宙在复合之后密度分布。密度略高的区域具有足够的引力来克服宇宙的膨胀并坍缩成第一个原星系。
随着时间的推移，由于引力吸引，密度较高的区域开始坍缩，形成了第一个原星系。当宇宙大约有10亿岁时，形成了第一个原星系。尽管这些最初的原星系太年轻，还无法形成恒星，但当气体向内坠落并因碰撞而升温时，它们会发出红外辐射。理论上，由于这种发射，原星系是可以观测到的，但它们非常暗淡且遥远（大约120亿光年），因为它们是大爆炸后形成的最早结构。由于这些困难，原星系从未被观测到。
当原星系向自身坍缩时，它们开始形成一个独特的核心和晕，就像成熟的星系一样。原星系边缘附近的粒子可以通过与周围气体的碰撞而损失能量，并落入核心。据推测，落入的物质形成了大约100个太阳质量的不稳定恒星，这些恒星迅速坍缩成黑洞，这些黑洞在成熟星系的中心被观测到。随着物质在整个星系的生命周期中落入黑洞，它会释放出大量的能量，这些能量已被观测为类星体和射电星系。
人们认为暗物质存在于原星系中。如果它存在，它与周围粒子的相互作用较弱。原星系中存在的暗物质保留在晕中，而普通物质则落入核心，因为将物质带入核心的主要机制是与周围气体的碰撞。由于暗物质的相互作用较弱，因此碰撞很少，并且在引力的作用下保留在晕中。
随着气体继续向原星系的核心坠落，它的密度继续增加，并且开始形成密集的云。由于角动量守恒，这些云开始绕原星系的质心运行。当两个气体云碰撞时，它们在碰撞前沿形成了一个密度更高的区域。这些高密度区域变得引力不稳定并坍缩成等离子体球，形成原恒星。随着物质继续降落到原恒星上，氘聚变开始，一颗恒星诞生了。当这些恒星开始燃烧并发出光时，由于太阳风，它们会消散周围的气体云，并留下一个星团。这些最初的恒星形成区域可能是球状星团的来源，其中一些星团的恒星几乎和宇宙一样古老。
这些新形成的恒星在它们的核心燃烧氢供应时，形成了新星系中的第一个重元素。氢通过核聚变转化为更重的元素，直到恒星形成了临界的铁质量。铁非常稳定，更重的元素不会从聚变中释放热量，恒星开始耗尽其燃料供应。没有热源，恒星会在自身重量下发生灾难性的坍缩，最终以超新星结束。
当这些恒星达到生命尽头时，其中质量最大的恒星会爆发成超新星，其爆炸的光芒可能会超过其母星系的其余部分。当恒星爆炸时，它通过核聚变过程形成重元素（比氧更重）。这些重元素从爆炸的恒星中喷射到星系气体云中。超新星负责重元素的形成和在新形成的星系中的分布，该星系以前只包含在复合期间形成的氢和氦。
一个新的星系很可能形成椭圆星系或螺旋星系，尽管也存在其他类型的星系（例如环形星系或透镜状星系）。形成的星系类型取决于恒星产生的初始速率。如果新星系缓慢形成恒星，那么气体云有足够的时间通过碰撞交换能量，并且随着物质落入旋转平面，云会伸长成扁平的盘状螺旋。如果星系快速形成恒星，它可以在交换足够的能量形成圆盘之前耗尽其气体供应。这些星系类似于恒星形成之前的初始椭圆形状。其他理论推测，椭圆星系是由其他螺旋星系的碰撞形成的，这些星系在碰撞后扭曲成椭圆形。
由于椭圆星系的高恒星产生率，它们很快耗尽了气体供应，并且不再有活跃的恒星形成。因此，椭圆星系主要由古老的第二星族星和大量球状星团组成。椭圆星系也没有显示出螺旋星系特有的有序旋转，因为它们在形成过程中没有时间交换足够的能量。
螺旋星系形成恒星的速度较慢，至今仍在进行恒星形成，因此它们的恒星种群要年轻得多。由于螺旋星系需要很长时间才能形成，因此它们在其生命周期中交换了相当多的能量，这使得物质坍缩成一个具有高角动量的圆盘，从而形成了特征性的旋转圆盘。
就像原星系中的气体云可以相互作用形成新的星团一样，整个星系也可以碰撞形成新的星系。当星系彼此靠近时，它们可以开始相互绕转。如果星系彼此足够靠近，潮汐相互作用会导致它们的轨道衰减，并且星系相互吞噬。星系的形状在碰撞过程中可能会高度扭曲，并且恒星形成会增加，为星暴星系提供动力，星暴星系是最明亮的星系之一。这段恒星形成增加的时期可以持续一千万年或更长时间，恒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会随着碰撞物质落入星系核心而显示出增加的发射。
如果星系彼此靠近但没有完全碰撞，它们可以通过引力相互作用喷射出大量的物质，将气体云和单独的恒星送入星系际空间。这些近距离碰撞也会扭曲所涉及的星系，并且是形成透镜状星系的一种可能的机制。
尽管以前认为大尺度相互作用并不常见，但发现银河系有几个较小的星系绕其运行，这表明该过程更为普遍。人马座矮椭圆星系（或SagDEG）是一个绕银河系核心运行的小矮星系，半径约为50,000光年。SagDEG目前正在穿过银河系的圆盘，并且由于引力相互作用而被严重扭曲。大小麦哲伦云也是矮星系，最终将与银河系合并。