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천문대는 관측하려고 하는 전자기 스펙트럼 영역을 바탕으로 분류된다.

가장 많은 천문대는 광학천문대인데, 이곳에는 인간의 눈으로 볼 수 있는 스펙트럼 영역이나 그 근처 영역을 관측하는 설비가 있다. 다른 몇몇 천문대에는 우주의 전파 방출원을 탐지하는 기기가 있으며, 궤도천문대라고 알려진 천문대는 대기 위에서 감마선이나 X선과 같은 고에너지를 복사하는 천체를 연구하기 위한 특수 망원경과 검출기가 탑재된 인공위성으로 이루어진다(위성천문대).

광학천문대의 역사는 오래되었다.

천문대의 전신은 계시(計時)와 역법을 위해서 태양·달 및 다른 천체들의 위치를 추적하는 일체식(一體式) 구조물이었다. 이러한 고대 구조물 중 가장 유명한 것은 BC 2500~1700년에 걸쳐 영국에서 건축된스톤헨지(Stonehenge)이다. 당시 바빌로니아에서는 점성술사들과 성직자들이 지구라트라고 알려진 계단식 탑의 꼭대기에서 태양·달·행성들의 운동을 관측했다. 그러나 천문기기는 사용하지 않은 것으로 보인다.

멕시코 유카탄 반도의 인디언들은 오늘날의 광학천문대와 비슷한 돔 모양의 구조물인 엘카라콜에서 동일한 관측을 했다. 이곳에서도 기본 장비는 물론 어떠한 과학 기기도 발견되지 않았다. 천체의 위치를 정확하게 측정하기 위해 기기를 사용한 최초의 천문대는 기원전의 가장 위대한 천문학자인 히파르코스에 의해 BC 150년경 로드스 섬에 건설되었다.

그곳에서 그는 세차운동(歲差運動)을 발견했으며, 천체의 밝기를 표시하는 데 사용되었던 등급체계를 개발했다. 현대 천문대의 진정한 전신은 이슬람 세계에서 설립된 것이다. 9, 10세기 다마스쿠스와 바그다드에 천문대들이 건설되었다. 1260년경 마라그헤흐(지금의 이란에 있음)에 웅장한 천문대가 건설되었고, 이곳에 많이 변형된 프톨레마이오스의 천문학이 도입되었다.

관측을 가장 많이 한 이슬람 천문대는 1420년경 티무리드의 왕자 울루그 베그가 사마르칸트에 세운 천문대이다. 그와 그의 보조원들은 커다란 4분의(四分儀)로 관측하여 항성목록을 작성했다. 중세 유럽에서 최초의 유명한 천문대는 1576년 티코 브라헤를 위해 덴마크의 왕 프레데리크가 세운 벤 섬의 우라니보르에 있는 천문대이다.

천체 연구를 목적으로 사용된 최초의 광학망원경은 1609년 갈릴레오가 렌즈 제작의 선구자인 플랑드르 사람들의 지식을 이용하여 만들었다.

천문학 연구를 위한 최초의 주요천문대들은 한 평면에서만 움직이는 망원경을 사용했는데, 이것은 지방 자오선 방향으로만 움직였다. 이러한 천문대는 18, 19세기에 그리니치(런던)·파리·케이프타운·워싱턴 D. C.에 설립되었다. 지구의 자전에 의해 별이 지방 자오선을 지나갈 때 천문학자들은 그 통과시간을 측정하여 천체의 위치 측정에 대한 정밀도를 망원경이 발명되기 전에는 수분(′)이었던 것에서 0.1″이하로 향상시켰다.

개인이 건설·운영했던 유명한 천문대는 윌리엄 허셜이 그의 누이 캐롤라인의 도움으로 잉글랜드 슬라우에 지은 천문대이다. 하우스 천문대로 알려져 있는 이곳의 가장 큰 망원경은 구경이 48in이고 초점길이가 17m인 금속거울로 만들어진 것이다. 이것은 1789년에 완성되었으며, 18세기의 기술적인 진보 중 하나이다(위치천문학).

오늘날 세계에서 광학망원경이 가장 많이 밀집되어 있는 지역은 미국 남부 애리조나 투손 근처의 키트피크 정상이다.

대부분의 망원경들은 키트피크 국립천문대의 것이며, 나머지는 애리조나대학교의 스튜어드 천문대, 몇몇 다른 대학교의 천문대, 그리고 국립전파천문대에 속해 있다. 이곳의 망원경들 가운데 가장 유명한 것은 구경이 4m인 메이올 망원경과 맥매스 태양망원경인데, 이러한 종류의 망원경 중에서 가장 큰 망원경이다. 오늘날 가장 큰 광학망원경은 카프카스 산맥의 파스투호프 산에 있는 구경이 6m인 반사망원경과 미국 캘리포니아 샌디에고 근처 팔로마 산에 있는 구경 5m의 헤일 망원경이다.

또한 남부 애리조나 투손 근처의 홉킨스 산 정상에 있는 구경 4.5m의 혁신적인 다중 반사망원경이 주목할 만하다. 1930년대에 전파 스펙트럼 영역에서 우주를 관측할 수 있게 되었다. 1931년에 미국의 공학자 칼 잰스키는 선형지향성(線形指向性) 안테나로 우리은하의 중심에서 나오는 전파신호를 검출했다. 곧이어 공학자이자 천문학자인 그로트 레버는 지름이 9.4m이며 사발 모양의 안테나인 전파망원경의 원형(原型)을 제작했다(전파천문학).

오늘날의 전파망원경은 수㎜에서 약 20m까지의 파장영역을 관측할 수 있다.

보통은 거대한 가동 접시형 안테나이지만, 이들의 구조는 서로 다르다. 세계에서 가장 큰 조절가능한 접시형 안테나는 잉글랜드 체셔의 조드럴뱅크에 있는 구경이 96m인 망원경이다. 가장 큰 단일 전파망원경은 푸에르토리코의 아레시보에 있다. 산 속에 둥글게 움푹 팬 곳에 설치된 이 망원경의 주(主)안테나의 지름은 304m이다.

지구운동과 공중에 매달린 2차 안테나의 구동에 의해 제한된 지향성(指向性)을 가지고 있다. 또다른 중요한 전파망원경은 국립전파천문대가 운영하는 베리 라지 어레이(Very Large Array/VLA)이다. VLA는 뉴멕시코 소코로 근처에 있으며, 각각의 구경이 25m인 27개의 전파망원경으로 이루어져 있다. 이 망원경들은 조종될 수 있을 뿐만 아니라 커다란 Y자 모양의 철로 위에서 움직일 수도 있다. 이 Y자에서 각각의 팔에 해당하는 철로의 길이가 21km이다. 우주 전파원의 상을 극히 높은 해상도로 얻는 것이 VLA의 목적이다.

망원경의 분해능(分解能)은 전파망원경과 광학망원경 모두 망원경의 구경이 커짐에 따라 향상된다. VLA의 각각의 접시들은 유효지름이 27km인 대형 전파망원경과 같은 작용을 하도록 정밀하게 배치된다.

우주시대의 개막과 함께 전자기 복사를 흡수하고 변형시키는 지구 대기 밖의 궤도상에 천문기기를 운반할 수 있게 되자 천문학자들은 가시광 및 전파 영역 이외의 전자기 스펙트럼 영역에 민감한 망원경을 만들었다. 1960년대 이후 궤도천문대는 감마선(궤도태양관측위성과 소형천문위성-2)·X선(우후루와 고에너지천문대)·자외선복사(국제자외선탐사선)·적외선복사(적외선 천문위성) 등을 관측하기 위해 발사되었다.