Double étoile, une paire d'étoiles rapprochées qui, à l'œil nu, apparaissent généralement comme une seule étoile. La paire est appelée double optique si les deux étoiles semblent proches l'une de l'autre uniquement en raison de leur alignement vu de la Terre. Une véritable étoile double s'appelle une étoile binaire, ou système binaire. Il se compose de deux étoiles qui sont relativement proches l'une de l'autre dans l'espace et tournent l'une autour de l'autre en raison de l'attraction gravitationnelle que chacune exerce sur l'autre.

Plus de la moitié de toutes les étoiles connues appartiennent à des systèmes binaires ou à des systèmes à étoiles multiples contenant des étoiles binaires. Les astronomes peuvent déterminer les masses des étoiles dans un système binaire dont la distance à la terre est connue en calculant les orbites des étoiles les unes autour des autres.

Lorsque les deux étoiles d'un système binaire peuvent être vues individuellement dans un télescope, la paire est appelée un binaire visuel. Souvent, la présence d'une deuxième étoile est découverte par d'autres moyens. Dans un binaire astrométrique, des variations régulières de la position d'une étoile visible révèlent qu'elle est en orbite autour d'une seconde étoile. Dans un binaire à éclipse, les deux étoiles passent l'une devant l'autre à tour de rôle, créant des éclipses et une gradation périodique de leur lumière combinée. Un binaire à éclipse bien connu fait partie d'Algol, un système d'étoiles multiples dans la constellation de Persée. Dans un quatrième type, le binaire spectroscopique, une étoile est connue pour être en orbite autour d'une autre étoile parce que les raies de son spectre montrent alternativement un mouvement d'approche et de récession.