Nukleosintesis Big Bang
Pengetahuan mengenai kelimpahan helium-4 menjadi penting karena ternyata didapati bahwa kelimpahan helium-4 di alam semesta lebih besar daripada yang diperkirakan dari nukleosintesis bintang. Sebagai tambahan, kelimpahan ini menjadi sebuah batu uji penting bagi teori Big Bang. Jika kelimpahan helium-4 jauh berbeda dari angka 25%, maka akan menghadirkan tantangan serius bagi teori Big Bang.
Astrofisika teoretis
Topik-topik yang dipelajari astrofisikawan teoretis termasuk: dinamika bintang; pembentukan galaksi; struktur zat berskala besar di alam semesta; asal sinar kosmik; relativitas umum dan kosmologi. Relativitas astrofisika berjalan sebagai alat untuk mengukur sifat struktur skala besar yang mana gravitasi memainkan peran penting dalam fenomena fisika yang diamati dan berjalan sebagai dasar untuk ("astro")fisika lubang hitam dan studi gelombang gravitasi.