Deși partea științifică a astronomiei a făcut progrese uriașe în înțelegerea naturii Universului și a conținutului său, rămân câteva întrebări importante fără răspuns. Răspunsurile la acestea pot necesita construirea de noi instrumente terestre și spațiale și, eventual, noi dezvoltări în fizica teoretică și experimentală.
Care este originea spectrului de masă stelar? Adică, de ce astronomii observă aceeași distribuție a maselor stelare — funcția de masă inițială — aparent indiferent de condițiile inițiale? Este nevoie de o înțelegere mai profundă a formării stelelor și planetelor.
Există altă viață în Univers? Mai ales, există altă viață inteligentă? Dacă da, care este explicația paradoxului Fermi? Existența vieții în altă parte are implicații științifice și filozofice importante. Sistemul Solar este normal sau atipic?
Care este natura materiei întunecate și a energiei întunecate? Acestea domină evoluția și soarta cosmosului, dar adevărata lor natură rămâne necunoscută.
Care va fi soarta finală a universului?
Cum s-au format primele galaxii? Cum s-au format găurile negre supermasive?
Ce creează razele cosmice de ultra-înaltă energie?
De ce abundența de litiu în cosmos este de patru ori mai mică decât cea prezisă de modelul standard Big Bang?
Ce se întâmplă cu adevărat dincolo de orizontul evenimentelor?