천체역학(天體力學, celestial mechanics)은 천체(행성, 위성, 항성과 같은 천문 객체) 간의 운동 및 상호작용을 연구하는 물리학의 한 분야이다. 이 학문은 뉴턴의 만유인력 법칙과 같은 기본 원리를 바탕으로 하여 천체의 궤도, 운동 패턴, 그리고 그들의 상호작용에 대해 수학적 모델링을 통해 분석한다.

천체역학의 주요 목적은 특정 천체의 움직임을 예측하고 설명하는 것이며, 이를 통해 행성과 그들의 위성, 성단, 은하, 그리고 우주 전체의 구조와 동역학을 이해하고자 한다. 초기의 천체역학은 태양계 내의 행성 운동을 설명하는 데 집중되었으나, 최근에는 외부 행성과 그 궤도, 그리고 다양한 천문 현상 (예: 블랙홀, 중성자별 등)의 연구에도 적용되고 있다.

천체역학은 고전역학(예: 비선형 동역학, 케플러의 법칙 등)과 상대성 이론, 그리고 현대 물리학의 다양한 모델을 포함하고 있다. 특정 천체가 동적인 환경에서 어떻게 움직이는지를 연구하기 위해 수치 해석 기법과 컴퓨터 시뮬레이션이 많이 이용된다. 이러한 연구는 우주 탐사, 인공위성 궤도 설계, 우주선 비행 경로 계획 등 다양한 응용 분야에서도 중요하게 활용된다.

주요 연구 주제로는 궤도 역학, 조밀한 물체의 상호작용, 카오스 이론, 그리고 시스템의 안정성과 불안정성을 포함한다. 이러한 연구를 통해 얻어진 데이터와 결과는 천문학, 우주 과학, 그리고 항공우주 공학 분야에 기여하며, 인류의 우주에 대한 이해를 깊이 있게 확장하는 데 중요한 역할을 한다.