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天体物理研究室是上海天文台从事基础天体物理研究的主要机构，包括13个科研团组。研究室的研究方向涉及黑洞和高能天体物理、星系形成与演化、SKA和宇宙大尺度结构、星团和银河系结构、恒星形成、以及行星天体物理等领域，在黑洞吸积与喷流理论、黑洞和星系的共同演化、银河系结构与动力学、计算天体物理等方向具有一定的国际影响力。研究室现有固定研究人员固定研究人员近50名，博士后20多名，研究生80多名。固定研究人员中包括国家杰出青年基金获得者、优秀青年基金获得者、国家高层次引进人才、科学院高层次引进人才。 研究室与国内外的天文研究机构有着密切的合作关系。与德国马普学会成立2个马普伙伴小组，与中国科技大学联合成立了“中国科学院星系和宇宙学重点实验室”，与厦门大学和北京大学分别成立了联合天体物理研究中心。研究室还参与了多项国际、国内天文项目和观测计划，如CSST、SKA、LAMOST、HXMT、LHAASO、TMT、EHT、FAST等。