La historia de la astronomía comprende tres áreas ampliamente definidas que han caracterizado a la ciencia de los cielos desde sus inicios. Con distintos grados de énfasis entre determinadas civilizaciones y durante determinados períodos históricos, los astrónomos han tratado de comprender los movimientos de los cuerpos celestes, determinar sus características físicas y estudiar el tamaño y la estructura del universo. Este último estudio se conoce como cosmología.

Movimientos del Sol, la Luna y los planetas
Desde los albores de la civilización hasta la época de Copérnico la astronomía estuvo dominada por el estudio de los movimientos de los cuerpos celestes. Este trabajo era esencial para la astrología, para la determinación del calendario y para la predicción de eclipses, y también estaba alimentado por el deseo de reducir la irregularidad al orden y de predecir las posiciones de los cuerpos celestes con una precisión cada vez mayor. La conexión entre el calendario y los movimientos de los cuerpos celestes es especialmente importante, porque significaba que la astronomía era esencial para determinar los tiempos de las funciones más básicas de las sociedades primitivas, incluyendo la siembra y la cosecha de los cultivos y la celebración de las fiestas religiosas.

Los fenómenos celestes observados por los antiguos eran los mismos que los actuales. El Sol progresaba constantemente hacia el oeste en el curso de un día, y las estrellas y los cinco planetas visibles hacían lo mismo por la noche. Al atardecer se podía observar que el Sol se desplazaba hacia el este aproximadamente un grado al día sobre el fondo de las estrellas, hasta que en el transcurso de un año había recorrido por completo el camino de 360° de constelaciones que llegó a conocerse como el zodiaco. Los planetas, por lo general, también se movían hacia el este a lo largo del zodiaco, dentro de los 8° de la trayectoria anual aparente del Sol (la eclíptica), pero a veces hacían desconcertantes inversiones en el cielo antes de reanudar su movimiento normal hacia el este. En comparación, la Luna se desplazaba por la eclíptica en unos 27 1/3 días y pasaba por varias fases. Las primeras civilizaciones no se daban cuenta de que estos fenómenos eran en parte producto del movimiento de la propia Tierra; simplemente querían predecir los movimientos aparentes de los cuerpos celestes.

Aunque los egipcios debían estar familiarizados con estos fenómenos generales, su estudio sistemático de los movimientos celestes se limitaba a la conexión de la crecida del Nilo con la primera salida visible de la estrella Sirio. Un primer intento de desarrollar un calendario basado en las fases de la Luna fue abandonado por ser demasiado complejo, y como resultado la astronomía jugó un papel menor en la civilización egipcia de lo que podría haber sido. Del mismo modo, los chinos no intentaron sistemáticamente determinar los movimientos celestes. Una prueba sorprendente de un interés más sustancial por la astronomía es la presencia de antiguos alineamientos y círculos de piedra encontrados en toda Europa y Gran Bretaña, el más notable de los cuales es Stonehenge, en Inglaterra. Ya en el año 3000 a.C., el conjunto de piedras macizas de Stonehenge funcionaba como un antiguo observatorio, donde los sacerdotes seguían el movimiento anual del Sol cada mañana a lo largo del horizonte para determinar el comienzo de las estaciones. Hacia el 2.500 a.C., Stonehenge pudo haber sido utilizado para predecir los eclipses de Luna. No fue hasta el año 1000 d.C. que las culturas del Nuevo Mundo emprendieron actividades similares.

Tablas Babilónicas. La astronomía alcanzó sus primeras grandes cotas entre los babilonios. En el período comprendido entre aproximadamente 1800 y 400 a.C., los babilonios desarrollaron un calendario basado en el movimiento del Sol y las fases de la Luna. Durante los 400 años siguientes, centraron su atención en la predicción del momento preciso en que la Luna creciente se hacía visible por primera vez y definieron el comienzo del mes en función de este acontecimiento. Las tablillas cuneiformes descifradas en el último siglo demuestran que los babilonios resolvieron el problema con una precisión de unos pocos minutos de tiempo; esto se logró mediante la compilación de tablas de observación precisas que revelaron variaciones menores en la velocidad del Sol y de la Luna que nunca antes se habían medido. Estas variaciones -y otras como los cambios en la latitud de la Luna- se analizaron numéricamente observando cómo las variaciones fluctuaban con el tiempo de forma regular. Utilizaron el mismo método numérico, utilizando las mismas variaciones, para predecir los eclipses lunares y solares.

Esferas y círculos griegos. Los griegos utilizaron un enfoque geométrico más que numérico para entender los mismos movimientos celestes. Influidos por el concepto metafísico de Platón sobre la perfección del movimiento circular, los griegos trataron de representar el movimiento de los cuerpos celestes divinos utilizando esferas y círculos. Este método explicativo no se alteró hasta que Kepler sustituyó el círculo por la elipse en 1609.

El alumno de Platón, Eudoxo de Cnidus, c.408-c.355 a.C., fue el primero en ofrecer una solución en este sentido. Supuso que cada planeta está unido a uno de un grupo de esferas concéntricas conectadas centradas en la Tierra, y que cada planeta gira sobre ejes orientados de forma diferente para producir el movimiento observado. Con este esquema de esferas cristalinas no pudo explicar la variación del brillo de los planetas; sin embargo, el esquema se incorporó a la cosmología de Aristóteles durante el siglo IV a.C. Así, la civilización helénica que culminó con Aristóteles intentó describir una cosmología física. En cambio, la civilización helénica que siguió a las conquistas de Alejandro Magno desarrolló a lo largo de los cuatro siglos siguientes mecanismos matemáticos predominantes para explicar los fenómenos celestes. La base de este enfoque era una variedad de círculos conocidos como excéntricos, deferentes y epiciclos. El matemático helenístico Apolonio de Perga, c.262-c.190 a.C., observó que el movimiento anual del Sol puede aproximarse mediante un círculo con la Tierra ligeramente descentrada, o excéntrica, explicando así la variación de velocidad observada a lo largo de un año. Del mismo modo, la Luna traza un círculo excéntrico en un período de 27 1/3 días. El movimiento periódico inverso, o retrógrado, de los planetas a través del cielo requirió un nuevo dispositivo teórico. Se suponía que cada planeta se movía con velocidad uniforme alrededor de un pequeño círculo (el epiciclo) que se movía alrededor de un círculo mayor (el deferente), con una velocidad uniforme apropiada para cada planeta en particular. Hiparco, c.190-120 a.C., el astrónomo más destacado de la Antigüedad, perfeccionó la teoría del Sol y la Luna basándose en las observaciones de Nicea y la isla de Rodas, y dio a la teoría solar esencialmente su forma definitiva. Quedó para Ptolomeo, c.100-c.165, recopilar todo el conocimiento de la astronomía griega en el Almagesto y desarrollar las teorías lunares y planetarias definitivas.

Con Ptolomeo el inmenso poder y la versatilidad de estas combinaciones de círculos como mecanismos explicativos alcanzaron nuevas cotas. En el caso de la Luna, Ptolomeo no sólo dio cuenta de la principal irregularidad, llamada ecuación del centro, que permitía predecir los eclipses. También descubrió y corrigió otra irregularidad, la evección, en otros puntos de la órbita lunar, utilizando un epiciclo sobre un deferente excéntrico móvil, cuyo centro giraba alrededor de la Tierra. Cuando Ptolomeo realizó un perfeccionamiento conocido como prosneusis, fue capaz de predecir el lugar de la Luna con una precisión de 10 min, o 1/6°, de arco en el cielo; estas predicciones concordaban bien con la precisión de las observaciones realizadas con los instrumentos utilizados en aquella época. Del mismo modo, Ptolomeo describió el movimiento de cada planeta en el Almagesto, que pasó, con algunas elaboraciones notables, a través de la civilización islámica y a la civilización europea del Renacimiento que nutrió a Nicolás Copérnico.

La revolución asociada al nombre de Copérnico no fue una revolución en la astronomía técnica de explicar los movimientos, sino que pertenece al ámbito de la cosmología. Impulsado especialmente por una intensa aversión a uno de los artificios explicativos de Ptolomeo, conocido como el equante, que comprometía el principio de los movimientos circulares uniformes, Copérnico no situó la Tierra sino el Sol en el centro del universo; esta opinión fue expuesta en su De revolutionibus orbium caelestium (Sobre las revoluciones de las esferas celestes, 1543). Sin embargo, en esa obra se limitó a adaptar el sistema griego de epiciclos y excéntricas a la nueva disposición. El resultado fue una simplificación y armonía iniciales, ya que los movimientos diurnos y anuales de la Tierra asumieron su verdadero significado, pero no una simplificación general en el número de epiciclos necesarios para lograr la misma precisión de predicción que tenía Ptolomeo. Por tanto, no estaba nada claro que este nuevo sistema cosmológico tuviera la clave del verdadero sistema matemático que pudiera explicar con precisión los movimientos planetarios.

Elipses keplerianas y gravitación newtoniana. El astrónomo alemán Johannes Kepler aportó una solución audaz al problema de los movimientos planetarios y demostró la validez de la teoría heliocéntrica de Copérnico, asociando directamente al Sol con la causa física de los movimientos planetarios. Para Kepler, la discrepancia entre la teoría y la observación de la posición del planeta Marte era de tan sólo 2,5 metros. Este grado de precisión habría encantado a Ptolomeo o Copérnico, pero era inaceptable a la luz de las observaciones del astrónomo danés Tycho Brahe, realizadas desde el Observatorio de Uraniborg con una variedad de sextantes y cuadrantes recién construidos y con una precisión de 1 a 4 pies. Esta nueva escala de precisión revolucionó la astronomía, ya que en su Astronomia nova (Nueva astronomía, 1609), Kepler anunció que Marte y los demás planetas debían moverse en órbitas elípticas, fácilmente predecibles por las leyes del movimiento planetario que procedió a exponer en esta obra y en las Harmonices mundi (Armonías del mundo, 1619). Sólo abandonando el círculo podía reducirse el cielo a un orden comparable al de las observaciones más precisas.

Las leyes de Kepler y la teoría copernicana alcanzaron su verificación definitiva con la enunciación por Sir Isaac Newton de las leyes de la gravitación universal en los Principia (1687). En estas leyes, se asignó al Sol como causa física del movimiento planetario. Las leyes también sirvieron de base teórica para derivar las leyes de Kepler. Durante el siglo XVIII, las implicaciones de la astronomía gravitacional fueron reconocidas y analizadas por hábiles matemáticos, especialmente Jean d’ Alembert, Alexis Clairaut, Leonhard Euler, Joseph Lagrange y Pierre Laplace. La ciencia de la mecánica celeste había nacido y el objetivo de la predicción precisa se hizo finalmente realidad.

Durante toda esta discusión las estrellas se habían considerado fijas. Sin embargo, mientras trabajaba en su catálogo de 850 estrellas, Hiparco ya había reconocido el fenómeno conocido como precesión de los equinoccios, un ligero cambio aparente en las posiciones de las estrellas durante un período de cientos de años causado por un bamboleo en el movimiento de la Tierra. En el siglo XVIII, Edmond Halley, determinó que las estrellas tenían su propio movimiento, conocido como movimiento propio, que era detectable incluso a lo largo de un periodo de pocos años. Las observaciones de las posiciones estelares, realizadas con instrumentos de tránsito gracias a los monumentales trabajos de científicos como John Flamsteed, sentaron las bases para resolver un problema cosmológico de otra época: la distribución de las estrellas y la estructura del universo.