Pese a lo que pueda parecer en principio, lo cierto es que las galaxias por lo general, tienen un bajo porcentaje de estrellas individuales, siendo por lo tanto, un hecho normal que las estrellas se hallen asociadas en grupos más o menos numerosos (cúmulos o conglomerados abiertos), o bien entre sí formando pares o grupos de tres estrellas o más. Se puede decir de esta forma que la mayor parte de las mismas integran sistemas binarios, formados por dos o más estrellas.

Dentro de estas agrupaciones de estrellas los más abundantes son los que configuran sistemas dobles, o sea constituidas por dos estrellas. Sus componentes se hallan unidas físicamente, es decir, se interaccionan gravitacionalmente, moviéndose como lo hace el Sol con la Tierra o la Tierra con la Luna. Giran en torno a un centro común de gravedad situado entre las dos estrellas, si ambas son de masas similares, o más próximo a una de ellas si esta es la más pesada.

A primera vista suelen distinguirse las estrellas dobles a través del telescopio porque se ven dos estrellas muy juntas. Pero para asegurarse de la verdadera naturaleza del sistema hace falta conocer sus movimientos porque puede darse el caso –y es muy frecuente- de que dos estrellas que se ven juntas en el telescopio no guarden relación alguna entre sí, sino que, por un casual efecto de perspectiva (una estrella cerca y otra lejos), den la impresión de proximidad. Estos “sistemas” se suelen denominar pares ópticos.

La observación de estrellas dobles constituye con frecuencia un reto para el astrónomo aficionado. Hay numerosas estrellas dobles, algunas con separación aparente muy grande y otras, como es lógico, con separación menor que llega hasta ángulos prácticamente imperceptibles, según sea la separación real y la distancia a nosotros. Naturalmente sólo se percibirán como dobles las que tengan un ángulo superior al poder resolutivo del telescopio, que está en función de la abertura (diámetro del objetivo). Los telescopios de mayor diámetro pueden desdoblar y separar dos puntos más juntos y pequeños que los telescopios de menor diámetro, independientemente de los aumentos que posean.

Posiblemente lo primero que atrae la atención del observador minucioso es la diferencia de colores que se nota en muchas estrellas dobles. En efecto, ya es sabido que el color de las estrellas lo advertimos mejor al compararlas entre sí. Cuando se dan dos estrellas de colores distintos que se encuentran muy juntas, la diferencia se contrasta mucho más. Hay algunas dobles que son famosas precisamente por la belleza de sus colores; entre ellas g (Gamma) Andrómeda se lleva el primer premio: es un par formado por una estrella de segunda magnitud, color anaranjado, y otra de quinta magnitud, azul, separadas ambas por 10”, lo que las hace perceptibles a cualquier telescopio.

Otro grupo notable que no debe olvidar ningún aficionado debutante es el Cuádruple e (Épsilon) Lyrae. Se trata de dos pares de estrellas orbitando conjuntamente con brillos que oscilan entre la magnitud cuarta y la sexta. Entre ambos grupos median 207”, llegando a separarse a simple vista; dirigiéndoles el telescopio se desdoblan ambas componentes, separadas respectivamente por 2”7 y 2”·3. Todas son blanco-azuladas.

Hay casos verdaderamente curiosos de sistemas dobles o múltiples. Uno de ellos se halla enclavado en el mismo centro de la nebulosa M 42 de Orion, una de las nebulosas más brillantes del cielo y la única visible a simple vista desde latitudes boreales. Se trata del sistema o₁ (Theta-1) Orionis, compuesto nada menos que por seis estrellas, de las cuales podemos ver cuatro con cualquier telescopio; las otras dos se intuyen porque ocasionan eclipses a sus compañeras, con las consecuentes variaciones luminosas.

Otras estrellas binarias son: Mizar en la constelación de la Osa Mayor, Albireo en la constelación del Cisne, Cástor en Gémini, Rigel en Orión y a Polaris.

Asimismo, las variaciones luminosas de las estrellas (ver el apartado Variaciones luminosas de las Estrellas) se hacen muy evidentes en el caso de los sistemas dobles, dada la proximidad que tienen entre sí las componentes y la facilidad que ello representa para la comparación de brillos. Son muchas las estrellas cuya variabilidad ha sido descubierta por aficionados cuando se dedicaban a la observación minuciosa de dobles. Una de las personalidades mundiales en tal sentido es el aficionado español José Luis Comellas, de Sevilla, quien en su haber cuenta con numerosos descubrimientos, tanto de estrellas dobles como de dobles variables.