Die Geschichte der Astronomie umfasst drei grob definierte Bereiche, die die Wissenschaft vom Himmel seit ihren Anfängen geprägt haben. Mit unterschiedlichem Nachdruck haben die Astronomen in bestimmten Zivilisationen und zu bestimmten historischen Zeiten versucht, die Bewegungen der Himmelskörper zu verstehen, ihre physikalischen Eigenschaften zu bestimmen und die Größe und Struktur des Universums zu untersuchen. Die letztgenannte Studie ist als Kosmologie bekannt.

Bewegungen von Sonne, Mond und Planeten
Von den Anfängen der Zivilisation bis zur Zeit von Kopernikus wurde die Astronomie von der Untersuchung der Bewegungen der Himmelskörper beherrscht. Diese Arbeiten waren für die Astrologie, die Bestimmung des Kalenders und die Vorhersage von Finsternissen unerlässlich, und sie wurden auch von dem Wunsch angetrieben, die Unregelmäßigkeiten zu ordnen und die Positionen der Himmelskörper mit immer größerer Genauigkeit vorherzusagen. Die Verbindung zwischen dem Kalender und den Bewegungen der Himmelskörper ist besonders wichtig, weil sie bedeutete, dass die Astronomie für die Bestimmung der Zeiten für die grundlegendsten Funktionen der frühen Gesellschaften, einschließlich der Aussaat und Ernte von Feldfrüchten und der Feier religiöser Feste, unerlässlich war.

Die von den Alten beobachteten Himmelserscheinungen waren die gleichen wie die heutigen. Die Sonne bewegte sich im Laufe eines Tages stetig nach Westen, und die Sterne und die fünf sichtbaren Planeten taten dasselbe bei Nacht. Bei Sonnenuntergang konnte man beobachten, wie sich die Sonne vor dem Hintergrund der Sterne täglich um etwa ein Grad in Richtung Osten bewegte, bis sie im Laufe eines Jahres die 360°-Bahn der Sternbilder, die als Tierkreis bekannt wurde, vollständig durchlaufen hatte. Auch die Planeten bewegten sich im Allgemeinen entlang des Tierkreises in Richtung Osten, innerhalb von 8° der scheinbaren Jahresbahn der Sonne (der Ekliptik), aber manchmal machten sie rätselhafte Kehrtwendungen am Himmel, bevor sie ihre normale Bewegung in Richtung Osten wieder aufnahmen. Im Vergleich dazu bewegte sich der Mond in etwa 27 1/3 Tagen durch die Ekliptik und durchlief mehrere Phasen. Die frühesten Zivilisationen erkannten nicht, dass diese Phänomene zum Teil ein Produkt der Bewegung der Erde selbst waren; sie wollten lediglich die scheinbaren Bewegungen der Himmelskörper vorhersagen.

Obwohl die Ägypter mit diesen allgemeinen Phänomenen vertraut gewesen sein müssen, beschränkte sich ihr systematisches Studium der Himmelsbewegungen auf den Zusammenhang zwischen der Überschwemmung des Nils und dem ersten sichtbaren Aufgang des Sterns Sirius. Ein früher Versuch, einen auf den Mondphasen basierenden Kalender zu entwickeln, wurde als zu komplex aufgegeben, und infolgedessen spielte die Astronomie in der ägyptischen Zivilisation eine geringere Rolle, als sie es sonst getan hätte. Auch die Chinesen versuchten nicht systematisch, die Bewegungen des Himmels zu bestimmen. Ein überraschender Beweis für ein größeres Interesse an der Astronomie sind die antiken Steinsetzungen und Steinkreise, die in ganz Europa und Großbritannien zu finden sind, wobei Stonehenge in England der bekannteste ist. Bereits 3000 v. Chr. diente die Ansammlung massiver Steine in Stonehenge als antikes Observatorium, in dem Priester jeden Morgen die jährliche Bewegung der Sonne entlang des Horizonts verfolgten, um den Beginn der Jahreszeiten zu bestimmen. Um etwa 2500 v. Chr. wurde Stonehenge möglicherweise zur Vorhersage von Mondfinsternissen genutzt. Erst 1000 n. Chr. wurden ähnliche Aktivitäten von den Kulturen der Neuen Welt unternommen.

Babylonische Tafeln. Ihre erste große Blütezeit erlebte die Astronomie bei den Babyloniern. In der Zeit von etwa 1800 bis 400 v. Chr. entwickelten die Babylonier einen Kalender, der auf der Bewegung der Sonne und den Phasen des Mondes beruhte. In den folgenden 400 Jahren konzentrierten sie ihre Aufmerksamkeit auf die Vorhersage des genauen Zeitpunkts, zu dem die neue Mondsichel zum ersten Mal sichtbar wurde, und legten den Monatsbeginn entsprechend diesem Ereignis fest. Keilschrifttafeln, die erst im letzten Jahrhundert entziffert wurden, zeigen, dass die Babylonier das Problem mit einer Genauigkeit von wenigen Minuten lösten; dies wurde durch die Erstellung präziser Beobachtungstabellen erreicht, die geringere Schwankungen in der Geschwindigkeit der Sonne und des Mondes ergaben als je zuvor gemessen. Diese Schwankungen – und andere, wie z. B. Änderungen der Mondbreite – wurden numerisch analysiert, indem man feststellte, wie die Schwankungen regelmäßig mit der Zeit schwankten. Mit derselben numerischen Methode und unter Verwendung derselben Schwankungen wurden Mond- und Sonnenfinsternisse vorhergesagt.

Griechische Sphären und Kreise. Die Griechen verwendeten eher einen geometrischen als einen numerischen Ansatz, um die gleichen Himmelsbewegungen zu verstehen. Beeinflusst von Platons metaphysischem Konzept der Vollkommenheit der Kreisbewegung, versuchten die Griechen, die Bewegung der göttlichen Himmelskörper mit Hilfe von Kugeln und Kreisen darzustellen. Diese Erklärungsmethode wurde erst durchbrochen, als Kepler 1609 den Kreis durch die Ellipse ersetzte.

Platos Schüler Eudoxus von Cnidus, ca. 408-c.355 v. Chr., war der erste, der eine Lösung in diesem Sinne anbot. Er ging davon aus, dass jeder Planet an einer Gruppe miteinander verbundener konzentrischer Kugeln befestigt ist, die auf der Erde zentriert sind, und dass sich jeder Planet um unterschiedlich ausgerichtete Achsen dreht, um die beobachtete Bewegung zu erzeugen. Mit diesem Schema kristalliner Sphären konnte er die Helligkeitsunterschiede der Planeten nicht erklären; das Schema wurde jedoch im 4. vorchristlichen Jahrhundert in die Kosmologie des Aristoteles aufgenommen. Jahrhundert v. Chr. in die Kosmologie des Aristoteles aufgenommen. Die hellenische Zivilisation, die ihren Höhepunkt mit Aristoteles erreichte, versuchte also, eine physikalische Kosmologie zu beschreiben. Im Gegensatz dazu entwickelte die hellenistische Zivilisation, die auf die Eroberungen Alexanders des Großen folgte, in den folgenden vier Jahrhunderten bald überwiegend mathematische Mechanismen zur Erklärung der Himmelserscheinungen. Die Grundlage für diesen Ansatz bildeten verschiedene Kreise, die als Exzenter, Deferenten und Epizykel bekannt waren. Der hellenistische Mathematiker Apollonius von Perga (ca. 262 bis 190 v. Chr.) stellte fest, dass die jährliche Bewegung der Sonne durch einen Kreis angenähert werden kann, bei dem die Erde leicht exzentrisch ist, was die beobachteten Geschwindigkeitsschwankungen im Jahresverlauf erklärt. In ähnlicher Weise zieht der Mond in einer Periode von 27 1/3 Tagen eine exzentrische Kreisbahn. Die periodische rückläufige oder retrograde Bewegung der Planeten am Himmel erforderte eine neue theoretische Lösung. Man ging davon aus, dass sich jeder Planet mit gleichmäßiger Geschwindigkeit um einen kleinen Kreis (den Epizyklus) bewegt, der sich wiederum um einen größeren Kreis (den Deferenten) bewegt, und zwar mit einer gleichmäßigen Geschwindigkeit, die für jeden einzelnen Planeten angemessen ist. Hipparchus (ca. 190-120 v. Chr.), der bedeutendste Astronom der Antike, verfeinerte die Theorie von Sonne und Mond auf der Grundlage von Beobachtungen in Nicäa und auf der Insel Rhodos und gab der Sonnentheorie im Wesentlichen ihre endgültige Form. Es blieb Ptolemäus (ca. 100-c.165) überlassen, das gesamte Wissen der griechischen Astronomie im Almagest zusammenzufassen und die endgültigen Mond- und Planetentheorien zu entwickeln.

Mit Ptolemäus erreichte die ungeheure Kraft und Vielseitigkeit dieser Kombinationen von Kreisen als Erklärungsmechanismen neue Höhen. Im Falle des Mondes erklärte Ptolemäus nicht nur die Hauptunregelmäßigkeit, die so genannte Gleichung des Zentrums, die die Vorhersage von Finsternissen ermöglichte. Er entdeckte und korrigierte auch eine andere Unregelmäßigkeit, die Evektion, an anderen Punkten der Mondbahn, indem er ein Epizykel auf einem beweglichen exzentrischen Deferenten verwendete, dessen Zentrum sich um die Erde drehte. Als Ptolemäus eine weitere Verfeinerung vornahm, die als Prosneusis bekannt ist, konnte er die Position des Mondes mit einer Genauigkeit von 10 Minuten oder 1/6° des Bogens am Himmel vorhersagen; diese Vorhersagen stimmten gut mit der Genauigkeit der Beobachtungen überein, die mit den damals verwendeten Instrumenten gemacht wurden. In ähnlicher Weise beschrieb Ptolemäus die Bewegung der einzelnen Planeten im Almagest, der mit einigen bemerkenswerten Ausarbeitungen durch die islamische Zivilisation und weiter zur europäischen Zivilisation der Renaissance gelangte, die Nikolaus Kopernikus hervorbrachte.

Die Revolution, die mit dem Namen Kopernikus verbunden ist, war keine Revolution in der technischen Astronomie zur Erklärung von Bewegungen, sondern gehört eher in den Bereich der Kosmologie. Angestachelt vor allem durch seine Abneigung gegen eine von Ptolemäus‘ Erklärungshilfen, den so genannten Äquanten, der das Prinzip der gleichmäßigen Kreisbewegungen in Frage stellte, stellte Kopernikus nicht die Erde, sondern die Sonne in den Mittelpunkt des Universums; diese Ansicht wurde in seinem Werk De revolutionibus orbium caelestium (Über die Umdrehungen der himmlischen Sphären, 1543) dargelegt. In diesem Werk passte er jedoch lediglich das griechische System der Epizykel und Exzenter an die neue Anordnung an. Das Ergebnis war eine anfängliche Vereinfachung und Harmonie, da die Tages- und Jahresbewegungen der Erde ihre wahre Bedeutung annahmen, aber keine allgemeine Vereinfachung der Anzahl der Epizyklen, die erforderlich war, um die gleiche Vorhersagegenauigkeit wie bei Ptolemäus zu erreichen. Es war daher keineswegs klar, dass dieses neue kosmologische System den Schlüssel zu dem wahren mathematischen System enthielt, das die Planetenbewegungen genau erklären konnte.

Keplersche Ellipsen und Newtonsche Gravitation. Der deutsche Astronom Johannes Kepler lieferte eine gewagte Lösung für das Problem der Planetenbewegungen und bewies die Gültigkeit der heliozentrischen Theorie des Kopernikus, indem er die Sonne direkt mit der physikalischen Ursache der Planetenbewegungen in Verbindung brachte. Für Kepler lag die Diskrepanz zwischen Theorie und Beobachtung bei der Position des Planeten Mars bei nur 8 Fuß. Dieser Genauigkeitsgrad hätte Ptolemäus oder Kopernikus gefreut, war aber inakzeptabel angesichts der Beobachtungen des dänischen Astronomen Tycho Brahe, die von der Sternwarte Uraniborg aus mit einer Reihe neu konstruierter Sextanten und Quadranten gemacht wurden und auf 1 bis 4 Fuß genau waren. Dieser neue Genauigkeitsmaßstab revolutionierte die Astronomie, denn in seiner Astronomia nova (Neue Astronomie, 1609) verkündete Kepler, dass sich der Mars und die anderen Planeten auf elliptischen Bahnen bewegen müssen, was sich durch die Gesetze der Planetenbewegung, die er in diesem Werk und in den Harmonices mundi (Harmonien der Welt, 1619) darlegte, leicht vorhersagen ließ. Nur durch den Verzicht auf den Kreis konnte der Himmel auf eine Ordnung reduziert werden, die mit den genauesten Beobachtungen vergleichbar war.

Keplers Gesetze und die kopernikanische Theorie erreichten ihre endgültige Bestätigung mit Sir Isaac Newtons Verkündung der Gesetze der universellen Gravitation in den Principia (1687). In diesen Gesetzen wurde die Sonne als physikalische Ursache der Planetenbewegung genannt. Die Gesetze dienten auch als theoretische Grundlage für die Ableitung der Keplerschen Gesetze. Im 18. Jahrhundert wurden die Implikationen der Gravitationsastronomie von fähigen Mathematikern erkannt und analysiert, insbesondere von Jean d‘ Alembert, Alexis Clairaut, Leonhard Euler, Joseph Lagrange und Pierre Laplace. Die Wissenschaft der Himmelsmechanik war geboren, und das Ziel einer genauen Vorhersage war endlich erreicht.

Während all dieser Diskussionen wurden die Sterne als Fixsterne betrachtet. Während der Arbeit an seinem Katalog von 850 Sternen hatte Hipparchus jedoch bereits das als Präzession der Äquinoktien bekannte Phänomen erkannt, eine scheinbar geringfügige Veränderung der Positionen der Sterne über einen Zeitraum von Hunderten von Jahren, die durch eine Taumelbewegung der Erde verursacht wird. Im 18. Jahrhundert stellte Edmond Halley fest, dass die Sterne eine eigene Bewegung, die so genannte Eigenbewegung, haben, die sogar über einen Zeitraum von einigen Jahren nachweisbar ist. Die Beobachtungen der Sternpositionen, die mit Transitinstrumenten durch die monumentale Arbeit von Wissenschaftlern wie John Flamsteed gemacht wurden, legten den Grundstein für die Lösung eines kosmologischen Problems aus einer anderen Zeit: die Verteilung der Sterne und die Struktur des Universums.