A csillagászat története három nagyjából meghatározott területet foglal magában, amelyek a kezdetek óta jellemzik az égbolt tudományát. Az egyes civilizációk között és az egyes történelmi korszakokban a csillagászok különböző hangsúlyokkal törekedtek az égitestek mozgásának megértésére, fizikai jellemzőik meghatározására, valamint a világegyetem méretének és szerkezetének tanulmányozására. Ez utóbbi tanulmányt nevezzük kozmológiának.
Nap, Hold és bolygók mozgása
A civilizáció hajnalától Kopernikusz koráig a csillagászatot az égitestek mozgásának tanulmányozása uralta. Ez a munka nélkülözhetetlen volt az asztrológia, a naptár meghatározásához és a napfogyatkozások előrejelzéséhez, és az a törekvés is táplálta, hogy a szabálytalanságokat rendbe szedjék és az égitestek helyzetét egyre nagyobb pontossággal megjósolják. A naptár és az égitestek mozgása közötti kapcsolat különösen fontos, mert ez azt jelentette, hogy a csillagászat nélkülözhetetlen volt a korai társadalmak legalapvetőbb funkcióinak, köztük a termények vetésének és betakarításának, valamint a vallási ünnepek megünneplésének időpontjának meghatározásához.
A régiek által megfigyelt égi jelenségek ugyanazok voltak, mint a maiak. A Nap egy nap folyamán folyamatosan haladt nyugat felé, a csillagok és az öt látható bolygó pedig éjszaka ugyanezt tette. Napnyugtakor megfigyelhető volt, hogy a Nap a csillagok hátterével szemben naponta körülbelül egy fokot haladt kelet felé, míg egy év alatt teljesen be nem járta a csillagképek 360°-os útvonalát, amelyet zodiákusnak neveztek el. A bolygók általában szintén kelet felé mozogtak a zodiákus mentén, 8°-on belül a Nap látszólagos éves pályájához (az ekliptikához) képest, de időnként rejtélyes fordulatokat tettek az égbolton, mielőtt folytatták volna szokásos kelet felé irányuló mozgásukat. Ehhez képest a Hold körülbelül 27 1/3 nap alatt haladt át az ekliptikán, és több fázison ment keresztül. A legkorábbi civilizációk nem voltak tisztában azzal, hogy ezek a jelenségek részben magának a Föld mozgásának a termékei; csupán az égitestek látszólagos mozgását akarták megjósolni.
Noha az egyiptomiaknak tisztában kellett lenniük ezekkel az általános jelenségekkel, az égi mozgások szisztematikus tanulmányozása arra korlátozódott, hogy a Nílus áradását a Szíriusz csillag első látható felkelésével hozták összefüggésbe. A Hold fázisain alapuló naptár kifejlesztésére tett korai kísérletet túl bonyolultnak ítélték, és ennek következtében a csillagászat kisebb szerepet játszott az egyiptomi civilizációban, mint amekkorát egyébként játszhatott volna. Hasonlóképpen a kínaiak sem próbálták szisztematikusan meghatározni az égi mozgásokat. A csillagászat iránti jelentősebb érdeklődés meglepő bizonyítéka az Európa-szerte és Nagy-Britanniában talált ősi kőrajzok és kőkörök, amelyek közül a legjelentősebb az angliai Stonehenge. Már i. e. 3000-ben a Stonehenge masszív kövekből álló gyűjteménye ősi obszervatóriumként működött, ahol a papok minden reggel követték a Nap éves mozgását a horizont mentén, hogy meghatározzák az évszakok kezdetét. Időszámításunk előtt 2500 körül Stonehenge-t már a holdfogyatkozások előrejelzésére is használhatták. Az Újvilág kultúráiban csak Kr. u. 1000 előtt kezdtek el hasonló tevékenységeket végezni.
Babiloni táblázatok. A csillagászat a babilóniaiaknál érte el első nagy magasságait. A babilóniaiak a Kr. e. 1800 és 400 közötti időszakban a Nap mozgására és a Hold fázisaira alapozott naptárat fejlesztettek ki. Az ezt követő 400 év során arra összpontosították figyelmüket, hogy pontosan megjósolják, mikor válik először láthatóvá az új félhold, és ennek az eseménynek megfelelően határozták meg a hónap kezdetét. A csak a múlt században megfejtett ékírásos táblák bizonyítják, hogy a babilóniaiak néhány perces pontossággal oldották meg a problémát; ezt úgy érték el, hogy pontos megfigyelési táblázatokat állítottak össze, amelyek a Nap és a Hold sebességének minden eddig mértnél kisebb eltéréseit mutatták ki. Ezeket a változásokat – és más változásokat, mint például a Hold szélességének változásait – számszerűen elemezték azáltal, hogy megfigyelték, hogyan ingadoznak a változások szabályos módon az idő függvényében. Ugyanezt a numerikus módszert alkalmazták, ugyanazokat a változásokat felhasználva, a hold- és napfogyatkozások előrejelzésére.
Görög gömbök és körök. A görögök ugyanezen égi mozgások megértéséhez inkább geometriai, mint numerikus megközelítést alkalmaztak. Platónnak a körkörös mozgás tökéletességéről szóló metafizikai koncepciója hatására a görögök az isteni égitestek mozgását gömbök és körök segítségével igyekeztek ábrázolni. Ez a magyarázó módszer egészen addig nem borult fel, amíg Kepler 1609-ben fel nem váltotta a kört az ellipszissel.
Platón tanítványa, a Kr. e. 408-355 körül élt Eudoxus Cniduszi Eudoxus volt az első, aki ilyen irányú megoldást kínált. Feltételezte, hogy minden bolygó a Föld középpontjában álló, összefüggő koncentrikus gömbök csoportjának egyikéhez kapcsolódik, és hogy minden bolygó különböző tájolású tengelyek körül forog, hogy a megfigyelt mozgást előidézze. A kristályos gömbök e sémájával nem tudta megmagyarázni a bolygók fényességének változását; a séma azonban a Kr. e. 4. században beépült Arisztotelész kozmológiájába. Az Arisztotelésszel tetőző hellén civilizáció tehát megkísérelt egy fizikai kozmológiát leírni. Ezzel szemben a Nagy Sándor hódításait követő hellenisztikus civilizáció a következő négy évszázad során hamarosan uralkodó matematikai mechanizmusokat dolgozott ki az égi jelenségek magyarázatára. Ennek a megközelítésnek az alapja az excentrikus, deferenciális és epiciklusként ismert különféle körök voltak. Apollonius pergai hellenisztikus matematikus (Kr. e. 262-190 körül) megjegyezte, hogy a Nap éves mozgása egy olyan körrel közelíthető meg, amelyben a Föld kissé eltolódik a középponttól, vagyis excentrikus, és így magyarázatot ad az év során megfigyelhető sebességváltozásokra. Hasonlóképpen a Hold is egy excentrikus kört fut be 27 1/3 nap alatt. A bolygók periodikusan fordított vagy retrográd mozgása az égbolton új elméleti eszközt igényelt. Feltételezték, hogy minden bolygó egyenletes sebességgel mozog egy kis kör (az epiciklus) körül, amely egy nagyobb kör (a deferens) körül mozog, az egyes bolygóknak megfelelő egyenletes sebességgel. Hipparkhosz (Kr. e. 190-120 körül), az ókor legkiválóbb csillagásza a nikaiai és a Rodosz szigetén végzett megfigyelések alapján finomította a Nap és a Hold elméletét, és lényegében ő adta meg a napelmélet végleges formáját. A 100-165 körül élt Ptolemaioszra maradt, hogy a görög csillagászat összes tudását összegyűjtse az Almagestben, és kidolgozza a végleges hold- és bolygóelméleteket.
Ptolemaiosz révén e körök kombinációinak mint magyarázó mechanizmusoknak a hatalmas ereje és sokoldalúsága új magasságokba emelkedett. A Hold esetében Ptolemaiosz nemcsak a középpont egyenletének nevezett fő szabálytalanságot magyarázta, ami lehetővé tette a napfogyatkozások előrejelzését. Felfedezett és korrigált egy másik szabálytalanságot is, az evekciót, a Hold pályájának más pontjain egy mozgó excentrikus deferensre helyezett epiciklus segítségével, amelynek középpontja a Föld körül forgott. Amikor Ptolemaiosz elvégezte a prosneusis néven ismert további finomítást, képes volt megjósolni a Hold helyét az égbolton 10 percen belül, vagyis 1/6°-os ívben; ezek az előrejelzések jó összhangban voltak az akkoriban használt műszerekkel végzett megfigyelések pontosságával. Hasonlóképpen Ptolemaiosz is leírta az egyes bolygók mozgását az Almagestben, amely néhány figyelemre méltó kiegészítéssel átment az iszlám civilizáción keresztül az európai reneszánsz civilizációba, amely Nikolausz Kopernikuszt nevelte.
A Kopernikusz nevéhez fűződő forradalom nem a mozgások magyarázatának technikai csillagászatában jelentett forradalmat, hanem inkább a kozmológia területére tartozik. Különösen Ptolemaiosz egyik magyarázó eszközével, az egyenlőségjelként ismert, az egyenletes körmozgás elvét veszélyeztető magyarázó eszközzel szembeni heves ellenszenvtől hajtva Kopernikusz nem a Földet, hanem a Napot helyezte a világegyetem középpontjába; ezt a nézetet De revolutionibus orbium caelestium (Az égi szférák forgásáról, 1543) című művében fejtette ki. Ebben a művében azonban csupán az epiciklusok és excentrikusok görög rendszerét igazította az új elrendezéshez. Az eredmény egy kezdeti egyszerűsítés és harmónia volt, mivel a Föld napszaki és éves mozgásai felvették valódi jelentésüket, de az epiciklusok számának általános egyszerűsítése nem volt szükséges ahhoz, hogy az előrejelzés ugyanolyan pontosságú legyen, mint Ptolemaioszé. Ezért egyáltalán nem volt egyértelmű, hogy ez az új kozmológiai rendszer tartotta a kulcsot a valódi matematikai rendszerhez, amely pontosan meg tudta magyarázni a bolygómozgásokat.
Kepleri ellipszisek és a newtoni gravitáció. Johannes Kepler német csillagász merész megoldást adott a bolygómozgások problémájára, és bizonyította Kopernikusz heliocentrikus elméletének érvényességét, közvetlenül a Napot hozva kapcsolatba a bolygómozgások fizikai okával. Kepler számára a Mars bolygó helyzetét illetően az elmélet és a megfigyelések közötti mindössze 8 lábnyi eltérés volt a kérdéses. Ez a pontossági fok Ptolemaiosznak vagy Kopernikusznak tetszett volna, de elfogadhatatlan volt Tycho Brahe dán csillagász megfigyelései fényében, amelyeket Tycho Brahe az Urániborg csillagvizsgálóból végzett különféle újonnan épített szextánsokkal és kvadránsokkal, és amelyek 1 láb és 4 láb közötti pontosságúak voltak. Ez az új pontossági skála forradalmasította a csillagászatot, mivel Kepler az Astronomia nova (Új csillagászat, 1609) című művében bejelentette, hogy a Marsnak és a többi bolygónak elliptikus pályán kell mozognia, ami könnyen kiszámítható a bolygómozgás törvényei alapján, amelyeket ebben a művében és a Harmonices mundi (A világ harmóniái, 1619) című művében fejtett ki. Csak a kör elhagyásával lehetett az égboltot a legpontosabb megfigyelésekkel összemérhető rendre redukálni.
Kepler törvényei és a kopernikuszi elmélet végső igazolásához Sir Isaac Newton egyetemes gravitációs törvényeinek a Principia-ban (1687) való kimondásával jutott el. Ezekben a törvényekben a Napot jelölték meg a bolygómozgás fizikai okaként. A törvények a Kepler-törvények levezetésének elméleti alapjául is szolgáltak. A 18. század folyamán a gravitációs csillagászat következményeit rátermett matematikusok, nevezetesen Jean d’ Alembert, Alexis Clairaut, Leonhard Euler, Joseph Lagrange és Pierre Laplace ismerték fel és elemezték. Megszületett az égi mechanika tudománya, és a pontos előrejelzés célja végre megvalósult.
A viták során a csillagokat mindvégig fixnek tekintették. Hipparkhosz azonban már a 850 csillagot tartalmazó katalógusán dolgozva felismerte a napéjegyenlőség precessziójaként ismert jelenséget, a csillagok helyzetének több száz év alatt bekövetkező látszólagos enyhe változását, amelyet a Föld mozgásának imbolygása okoz. A 18. században Edmond Halley megállapította, hogy a csillagoknak saját mozgásuk van, az úgynevezett sajátmozgás, amely néhány év alatt is kimutatható. A csillagok helyzetének megfigyelései, amelyeket tranzitműszerekkel végeztek olyan tudósok monumentális munkája révén, mint John Flamsteed, megalapozták egy másik korszak kozmológiai problémájának megoldását: a csillagok eloszlását és a világegyetem szerkezetét.
A csillagok eloszlását és a világegyetem szerkezetét.