Tähtitieteen historia käsittää kolme laajasti määriteltyä osa-aluetta, jotka ovat leimanneet taivaantiedettä sen alkuajoista lähtien. Tähtitieteilijät ovat vaihtelevalla painotuksella tiettyjen sivilisaatioiden keskuudessa ja tiettyinä historiallisina ajanjaksoina pyrkineet ymmärtämään taivaankappaleiden liikkeitä, määrittämään niiden fysikaalisia ominaisuuksia ja tutkimaan maailmankaikkeuden kokoa ja rakennetta. Viimeksi mainittua tutkimusta kutsutaan kosmologiaksi.
Auringon, Kuun ja planeettojen liikkeet
Sivilisaation alkuajoista Kopernikuksen aikaan saakka tähtitiedettä hallitsi taivaankappaleiden liikkeiden tutkiminen. Tällainen työ oli välttämätöntä astrologian, kalenterin määrittämisen ja pimennysten ennustamisen kannalta, ja sitä vauhditti myös halu saattaa epäsäännöllisyys järjestykseen ja ennustaa taivaankappaleiden sijainnit yhä suuremmalla tarkkuudella. Kalenterin ja taivaankappaleiden liikkeiden välinen yhteys on erityisen tärkeä, koska se merkitsi sitä, että tähtitiede oli olennaisen tärkeää, kun määritettiin aikoja varhaisimpien yhteiskuntien perustoiminnoille, kuten sadon kylvölle ja sadonkorjuulle sekä uskonnollisten juhlien viettämiselle.
Vanhojen aikojen havaitsemat taivaanilmiöt olivat samoja kuin nykyäänkin. Aurinko eteni päivän aikana tasaisesti länteen, ja tähdet ja viisi näkyvää planeettaa tekivät saman yöllä. Auringon saattoi auringonlaskun aikaan havaita liikkuneen tähtien taustaa vasten noin asteen päivässä itään päin, kunnes se oli vuoden kuluessa kulkenut täydellisesti 360°:n pituisen tähtikuvioiden polun, jota alettiin kutsua eläinradaksi. Myös planeetat liikkuivat yleensä eläinradan itäpuolella 8°:n etäisyydellä Auringon näennäisestä vuosiradasta (ekliptikasta), mutta toisinaan ne tekivät taivaalla hämmentäviä käännöksiä ennen kuin jatkoivat normaalia itään suuntautuvaa liikettään. Vertailun vuoksi mainittakoon, että Kuu liikkui ekliptikan poikki noin 27 1/3 päivässä ja kävi läpi useita vaiheita. Varhaisimmat sivilisaatiot eivät ymmärtäneet, että nämä ilmiöt olivat osittain itse maapallon liikkeen tulosta; ne halusivat vain ennustaa taivaankappaleiden näennäisiä liikkeitä.
Vaikka egyptiläisten on täytynyt tuntea nämä yleiset ilmiöt, heidän systemaattinen taivaankappaleiden liikkeiden tutkimisensa rajoittui Niilin tulvimisen ja Siriustähden ensimmäisen näkyvän nousun yhdistämiseen. Varhainen yritys kehittää kuun vaiheisiin perustuva kalenteri hylättiin liian monimutkaisena, ja sen seurauksena tähtitieteellä oli egyptiläisessä sivilisaatiossa vähäisempi merkitys kuin se olisi muuten voinut olla. Vastaavasti kiinalaiset eivät pyrkineet järjestelmällisesti määrittämään taivaan liikkeitä. Yllättäviä todisteita merkittävämmästä kiinnostuksesta tähtitiedettä kohtaan löytyy eri puolilta Eurooppaa ja Isoa-Britanniaa löydetyistä muinaisista kivirakennelmista ja kiviympyröistä, joista merkittävin on Englannissa sijaitseva Stonehenge. Jo vuonna 3000 eKr. Stonehengen massiivisten kivien kokoelma toimi muinaisena observatoriona, jossa papit seurasivat auringon vuosittaista liikettä joka aamu horisonttia pitkin määrittääkseen vuodenaikojen alkamisen. Noin vuonna 2500 eaa. Stonehengeä saatettiin käyttää kuunpimennysten ennustamiseen. Vasta vuonna 1000 jKr. uuden maailman kulttuureissa ryhdyttiin vastaaviin toimiin.
Babylonialaiset taulukot. Tähtitiede saavutti ensimmäiset suuret huippunsa babylonialaisten keskuudessa. Noin 1800-400 eaa. välisenä aikana babylonialaiset kehittivät kalenterin, joka perustui auringon liikkeeseen ja kuun vaiheisiin. Seuraavan 400 vuoden aikana he kiinnittivät huomionsa sen tarkan ajankohdan ennustamiseen, jolloin uusi kuunsirppi tuli ensimmäisen kerran näkyviin, ja määrittelivät kuukauden alun tämän tapahtuman mukaan. Vasta viime vuosisadalla puretut kiilakirjoitustaulut osoittavat, että babylonialaiset ratkaisivat ongelman muutaman minuutin tarkkuudella; tämä saavutettiin laatimalla tarkkoja havaintotaulukoita, jotka paljastivat Auringon ja Kuun nopeuden pienemmät vaihtelut kuin koskaan aiemmin oli mitattu. Näitä vaihteluita – ja muita vaihteluita, kuten muutoksia Kuun leveysasteessa – analysoitiin numeerisesti havaitsemalla, miten vaihtelut vaihtelivat ajan myötä säännönmukaisesti. He käyttivät samaa numeerista menetelmää ja samoja vaihteluita hyödyntäen ennustamaan kuun- ja auringonpimennyksiä.
Kreikkalaiset pallot ja ympyrät. Kreikkalaiset käyttivät pikemminkin geometrista kuin numeerista lähestymistapaa ymmärtääkseen samoja taivaanliikkeitä. Platonin metafyysisen käsityksen ympyräliikkeen täydellisyydestä vaikutuksesta kreikkalaiset pyrkivät esittämään jumalallisten taivaankappaleiden liikkeet pallojen ja ympyröiden avulla. Tämä selitysmenetelmä järkkyi vasta, kun Kepler korvasi ympyrän ellipsillä vuonna 1609.
Platonin oppilas Eudoksos Niduslainen, noin 408-355 eaa., tarjosi ensimmäisenä tämänsuuntaisen ratkaisun. Hän oletti, että kukin planeetta on kiinnittynyt yhteen maapallon keskipisteenä olevaan toisiinsa liittyvien samankeskisten pallojen ryhmään ja että kukin planeetta pyörii eri tavoin suunnattujen akselien ympäri tuottaakseen havaitun liikkeen. Tällä kiteisten pallojen järjestelmällä hän ei pystynyt selittämään planeettojen kirkkauden vaihtelua; järjestelmä sisällytettiin kuitenkin Aristoteleen kosmologiaan 4. vuosisadalla eaa. Aristoteleen huipentama helleeninen sivilisaatio yritti siis kuvata fysikaalista kosmologiaa. Sitä vastoin Aleksanteri Suuren valloituksia seurannut hellenistinen sivilisaatio kehitti seuraavien neljän vuosisadan aikana pian vallitsevia matemaattisia mekanismeja taivaanilmiöiden selittämiseksi. Tämän lähestymistavan perustana olivat erilaiset ympyrät, joita kutsuttiin eksentrisiksi, deferensseiksi ja episykleiksi. Hellenistinen matemaatikko Apollonius Pergalainen, noin 262-190 eaa., totesi, että Auringon vuosittaista liikettä voidaan approksimoida ympyrällä, jossa maapallo on hieman epäkeskinen eli eksentrinen, mikä selittää havaitut nopeuden vaihtelut vuoden aikana. Vastaavasti Kuu kulkee eksentristä ympyrää 27 1/3 päivän aikana. Planeettojen ajoittainen käänteinen eli retrogradinen liike taivaalla vaati uuden teoreettisen keinon. Kunkin planeetan oletettiin liikkuvan tasaisella nopeudella pienen ympyrän (epicyceli) ympäri, joka liikkuu suuremman ympyrän (deferentti) ympäri kullekin planeetalle sopivalla tasaisella nopeudella. Hipparkhos, noin 190-120 eaa., antiikin ajan merkittävin tähtitieteilijä, tarkensi Auringon ja Kuun teoriaa Nikeasta ja Rodoksen saarelta tehtyjen havaintojen perusteella ja antoi aurinkoteorialle olennaisilta osin lopullisen muotonsa. Ptolemaioksen, n. 100-165, tehtäväksi jäi koota kaikki kreikkalaisen tähtitieteen tietämys Almagestiin ja kehittää lopulliset kuu- ja planeettateoriat.
Ptolemaioksen myötä näiden ympyräkombinaatioiden valtava voima ja monipuolisuus selitysmekanismeina saavuttivat uudenlaisen huipun. Kuun tapauksessa Ptolemaios ei ainoastaan selittänyt pääasiallista epäsäännöllisyyttä, jota kutsuttiin keskipisteen yhtälöksi ja joka mahdollisti pimennysten ennustamisen. Hän havaitsi ja korjasi myös toisen epäsäännöllisyyden, evektion, Kuun radan muissa pisteissä käyttämällä epykyyliä, joka on siirrettävällä eksentrisellä deferentillä, jonka keskus pyöri Maan ympäri. Kun Ptolemaios teki prosneusikseksi kutsutun hienosäädön, hän pystyi ennustamaan Kuun paikan taivaalla 10 minuutin eli 1/6°:n kaaren tarkkuudella; nämä ennusteet vastasivat hyvin tuolloin käytetyillä välineillä tehtyjen havaintojen tarkkuutta. Vastaavasti Ptolemaios kuvasi kunkin planeetan liikkeen Almagestissa, joka kulki muutamin huomattavin tarkennuksin läpi islamilaisen sivilisaation ja edelleen renessanssin eurooppalaiseen sivilisaatioon, joka ruokki Nikolaus Kopernikusta.
Kopernikuksen nimeen liitetty vallankumous ei ollut vallankumous teknisessä tähtitieteessä, jossa selitetään liikkeitä, vaan se kuuluu pikemminkin kosmologian alaan. Syynä oli erityisesti voimakas vastenmielisyys yhtä Ptolemaioksen selityskeinoa kohtaan, joka tunnettiin nimellä ekvantti ja joka vaaransi yhtenäisen ympyräliikkeen periaatteen, ja siksi Kopernikus ei asettanut Maata vaan Aurinkoa maailmankaikkeuden keskipisteeksi; tämä näkemys esitettiin teoksessa De revolutionibus orbium caelestium (Taivaan sfäärien kiertokulusta, 1543). Kyseisessä teoksessa hän kuitenkin vain mukautti kreikkalaisen epikulaarisen ja eksentrisen järjestelmän uuteen järjestelyyn. Tuloksena oli alkuvaiheen yksinkertaistuminen ja harmonia, kun Maan vuorokausi- ja vuosiliikkeet saivat todellisen merkityksensä, mutta episyklien lukumäärän kokonaisvaltaista yksinkertaistamista ei tarvittu, jotta saavutettaisiin sama ennustustarkkuus kuin Ptolemaioksella. Siksi ei ollut lainkaan selvää, että tässä uudessa kosmologisessa järjestelmässä oli avain todelliseen matemaattiseen järjestelmään, jolla planeettojen liikkeet voitaisiin selittää tarkasti.
Keplerin ellipsit ja newtonilainen gravitaatio. Saksalainen tähtitieteilijä Johannes Kepler tarjosi rohkean ratkaisun planeettojen liikkeiden ongelmaan ja osoitti Kopernikuksen heliosentrisen teorian paikkansapitävyyden liittämällä Auringon suoraan planeettojen liikkeiden fyysiseen syyhyn. Keplerin ongelmana oli Mars-planeetan sijainnin ero teorian ja havainnon välillä, joka oli vain kahdeksan jalkaa. Tämä tarkkuus olisi ilahduttanut Ptolemaiosta tai Kopernikusta, mutta sitä ei voitu hyväksyä, kun otetaan huomioon tanskalaisen tähtitieteilijän Tycho Brahen havainnot, jotka hän oli tehnyt Uraniborgin observatoriosta erilaisilla hiljattain rakennetuilla sekstanteilla ja kvadranteilla ja joiden tarkkuus vaihteli yhdestä metristä neljään metriin. Tämä uusi tarkkuusasteikko mullisti tähtitieteen, sillä teoksessaan Astronomia nova (Uusi tähtitiede, 1609) Kepler ilmoitti, että Marsin ja muiden planeettojen oli liikuttava elliptisillä kiertoradoilla, jotka olivat helposti ennustettavissa planeettojen liikkeen laeilla, joita Kepler jatkoi tässä teoksessaan ja teoksessaan Harmonices mundi (Maailman harmoniat, 1619). Vain luopumalla ympyrästä voitiin taivas supistaa tarkimpia havaintoja vastaavaan järjestykseen.
Keplerin lait ja kopernikaaninen teoria saavuttivat lopullisen todentamisensa, kun Sir Isaac Newton esitti Principia-teoksessaan (1687) universaalin gravitaation lait. Näissä laeissa aurinko määriteltiin planeettojen liikkeen fyysiseksi syyksi. Lait toimivat myös teoreettisena perustana Keplerin lakien johtamiselle. 1700-luvulla kyvykkäät matemaatikot, erityisesti Jean d’ Alembert, Alexis Clairaut, Leonhard Euler, Joseph Lagrange ja Pierre Laplace, havaitsivat ja analysoivat gravitaatiotähtitieteen vaikutukset. Syntyi taivaanmekaniikan tiede, ja tavoite tarkasta ennustamisesta toteutui vihdoin.
Kaiken tämän keskustelun aikana tähtiä oli pidetty kiinteinä. Työskennellessään 850 tähden luettelon parissa Hipparkhos oli kuitenkin jo tunnistanut päiväntasausten prekessioksi kutsutun ilmiön, joka on satojen vuosien aikana tapahtuva näennäinen vähäinen muutos tähtien sijainnissa, joka johtuu maapallon liikkeen heilahtelusta. Edmond Halley määritteli 1700-luvulla, että tähdillä oli oma liikkeensä, niin sanottu proper motion, joka oli havaittavissa jopa muutaman vuoden aikana. Tähtien sijaintia koskevat havainnot, jotka tehtiin transit-instrumenteilla sellaisten tiedemiesten kuin John Flamsteedin monumentaalisella työllä, loivat pohjan toisen aikakauden kosmologisen ongelman ratkaisemiselle: tähtien jakautumiselle ja maailmankaikkeuden rakenteelle.