La storia dell’astronomia comprende tre aree ampiamente definite che hanno caratterizzato la scienza dei cieli fin dai suoi inizi. Con diversi gradi di enfasi tra particolari civiltà e durante particolari periodi storici, gli astronomi hanno cercato di capire i movimenti dei corpi celesti, di determinare le loro caratteristiche fisiche e di studiare le dimensioni e la struttura dell’universo. Quest’ultimo studio è noto come cosmologia.

Movimenti del sole, della luna e dei pianeti
Dagli albori della civiltà fino all’epoca di Copernico l’astronomia fu dominata dallo studio dei moti dei corpi celesti. Tale lavoro era essenziale per l’astrologia, per la determinazione del calendario e per la previsione delle eclissi, ed era anche alimentato dal desiderio di ridurre l’irregolarità all’ordine e di prevedere le posizioni dei corpi celesti con sempre maggiore precisione. La connessione tra il calendario e i moti dei corpi celesti è particolarmente importante, perché significava che l’astronomia era essenziale per determinare i tempi delle funzioni più elementari delle prime società, tra cui la semina e il raccolto dei raccolti e la celebrazione delle feste religiose.

I fenomeni celesti osservati dagli antichi erano gli stessi di oggi. Il Sole procedeva costantemente verso ovest nel corso della giornata, e le stelle e i cinque pianeti visibili facevano lo stesso di notte. Si poteva osservare al tramonto che il Sole si spostava verso est di circa un grado al giorno sullo sfondo delle stelle, fino a quando nel corso di un anno aveva completamente attraversato il percorso di 360° delle costellazioni che era noto come lo zodiaco. Anche i pianeti si muovevano generalmente verso est lungo lo zodiaco, entro 8° del percorso annuale apparente del Sole (l’eclittica), ma a volte facevano sconcertanti inversioni nel cielo prima di riprendere il loro normale movimento verso est. In confronto, la Luna si muoveva attraverso l’eclittica in circa 27 1/3 giorni e passava attraverso diverse fasi. Le prime civiltà non si rendevano conto che questi fenomeni erano in parte un prodotto del moto della Terra stessa; volevano semplicemente prevedere i moti apparenti dei corpi celesti.

Anche se gli Egizi dovevano avere familiarità con questi fenomeni generali, il loro studio sistematico dei moti celesti era limitato al collegamento dell’inondazione del Nilo con il primo sorgere visibile della stella Sirio. Un primo tentativo di sviluppare un calendario basato sulle fasi lunari fu abbandonato perché troppo complesso, e di conseguenza l’astronomia ebbe un ruolo minore nella civiltà egizia di quanto avrebbe potuto essere. Allo stesso modo, i cinesi non tentarono sistematicamente di determinare i moti celesti. Una prova sorprendente di un interesse più sostanziale per l’astronomia si trova nella presenza di antichi allineamenti e cerchi di pietra trovati in tutta Europa e in Gran Bretagna, il più notevole dei quali è Stonehenge in Inghilterra. Già nel 3000 a.C., l’insieme di pietre massicce a Stonehenge funzionava come un antico osservatorio, dove i sacerdoti seguivano il movimento annuale del Sole ogni mattina lungo l’orizzonte per determinare l’inizio delle stagioni. Dal 2500 a.C. circa, Stonehenge potrebbe essere stato usato per prevedere le eclissi di Luna. Non prima del 1000 d.C. attività simili furono intraprese dalle culture del Nuovo Mondo.

Tabelle Babilonesi. L’astronomia raggiunse le sue prime grandi vette tra i Babilonesi. Nel periodo dal 1800 al 400 a.C. circa, i Babilonesi svilupparono un calendario basato sul moto del Sole e sulle fasi della Luna. Durante i 400 anni che seguirono, concentrarono la loro attenzione sulla previsione del momento preciso in cui la nuova luna crescente diventava visibile per la prima volta e definirono l’inizio del mese in base a questo evento. Le tavolette cuneiformi decifrate solo nell’ultimo secolo dimostrano che i Babilonesi hanno risolto il problema con una precisione di pochi minuti di tempo; ciò è stato ottenuto compilando precise tavole di osservazione che hanno rivelato variazioni della velocità del Sole e della Luna più piccole di quelle mai misurate prima. Queste variazioni – e altre come i cambiamenti della latitudine della Luna – furono analizzate numericamente notando come le variazioni fluttuavano con il tempo in modo regolare. Hanno usato lo stesso metodo numerico, utilizzando le stesse variazioni, per prevedere le eclissi lunari e solari.

Sfere e cerchi greci. I greci usavano un approccio geometrico piuttosto che numerico per comprendere gli stessi moti celesti. Influenzati dal concetto metafisico di Platone della perfezione del moto circolare, i greci cercarono di rappresentare il moto dei corpi celesti divini utilizzando sfere e cerchi. Questo metodo esplicativo non fu sconvolto fino a quando Keplero sostituì il cerchio con l’ellisse nel 1609.

L’allievo di Platone, Eudosso di Cnido, c.408-c.355 a.C., fu il primo ad offrire una soluzione su questa linea. Egli assunse che ogni pianeta è attaccato a uno di un gruppo di sfere concentriche collegate centrate sulla Terra, e che ogni pianeta ruota su assi diversamente orientati per produrre il movimento osservato. Con questo schema di sfere cristalline non riuscì a rendere conto della variazione di luminosità dei pianeti; lo schema fu incorporato, tuttavia, nella cosmologia di Aristotele durante il IV secolo a.C. Così la civiltà ellenica che culminò con Aristotele tentò di descrivere una cosmologia fisica. Al contrario, la civiltà ellenistica che seguì le conquiste di Alessandro Magno sviluppò nel corso dei successivi quattro secoli meccanismi matematici predominanti per spiegare i fenomeni celesti. La base di questo approccio era una varietà di cerchi conosciuti come eccentrici, deferenti ed epicicli. Il matematico ellenistico Apollonio di Perga, c.262-c.190 a.C., notò che il moto annuale del Sole può essere approssimato da un cerchio con la Terra leggermente fuori centro, o eccentrico, rendendo così conto della variazione di velocità osservata durante un anno. Allo stesso modo, la Luna traccia un cerchio eccentrico in un periodo di 27 1/3 giorni. Il movimento periodico inverso, o retrogrado, dei pianeti attraverso il cielo ha richiesto un nuovo dispositivo teorico. Si supponeva che ogni pianeta si muovesse con velocità uniforme intorno ad un piccolo cerchio (l’epiciclo) che si muoveva intorno ad un cerchio più grande (il deferente), con una velocità uniforme appropriata per ogni particolare pianeta. Ipparco, 190-120 a.C. circa, il più importante astronomo dell’antichità, apportò dei perfezionamenti alla teoria del Sole e della Luna basandosi sulle osservazioni di Nicea e dell’isola di Rodi, e diede alla teoria solare essenzialmente la sua forma definitiva. Fu lasciato a Tolomeo, dal 100 al 165 circa, il compito di raccogliere tutte le conoscenze dell’astronomia greca nell’Almagesto e di sviluppare le ultime teorie lunari e planetarie.

Con Tolomeo l’immenso potere e la versatilità di queste combinazioni di cerchi come meccanismi esplicativi raggiunse nuove vette. Nel caso della Luna, Tolomeo non solo rese conto della principale irregolarità, chiamata equazione del centro, che permetteva di prevedere le eclissi. Ha anche scoperto e corretto un’altra irregolarità, l’evezione, in altri punti dell’orbita della Luna utilizzando un epiciclo su un deferente eccentrico mobile, il cui centro ruotava intorno alla Terra. Quando Tolomeo fece un ulteriore perfezionamento noto come prosneusis, fu in grado di prevedere la posizione della Luna entro 10 minuti, o 1/6°, di arco nel cielo; queste previsioni erano in buon accordo con la precisione delle osservazioni fatte con gli strumenti usati a quel tempo. Allo stesso modo, Tolomeo descrisse il moto di ogni pianeta nell’Almagesto, che passò, con alcune elaborazioni notevoli, attraverso la civiltà islamica e fino alla civiltà europea rinascimentale che nutrì Nicolaus Copernicus.

La rivoluzione associata al nome di Copernico non fu una rivoluzione nell’astronomia tecnica della spiegazione dei moti, ma appartiene piuttosto al regno della cosmologia. Spinto soprattutto da un’intensa antipatia per uno dei dispositivi esplicativi di Tolomeo, noto come l’equante, che comprometteva il principio dei moti circolari uniformi, Copernico pose al centro dell’universo non la Terra ma il Sole; questa visione fu esposta nel suo De revolutionibus orbium caelestium (Sulle rivoluzioni delle sfere celesti, 1543). In quell’opera, tuttavia, egli si limitò ad adattare il sistema greco di epicicli ed eccentrici alla nuova disposizione. Il risultato fu un’iniziale semplificazione e armonia, poiché i moti diurni e annuali della Terra assunsero il loro vero significato, ma nessuna semplificazione complessiva nel numero di epicicli necessari per raggiungere la stessa precisione di previsione di Tolomeo. Non era quindi affatto chiaro che questo nuovo sistema cosmologico tenesse la chiave del vero sistema matematico che poteva spiegare accuratamente i moti planetari.

Elissi kepleriane e gravitazione newtoniana. L’astronomo tedesco Johannes Kepler fornì una soluzione audace al problema dei moti planetari e dimostrò la validità della teoria eliocentrica di Copernico, associando direttamente il Sole alla causa fisica dei moti planetari. Il problema per Keplero era una discrepanza di soli 8 piedi tra la teoria e l’osservazione per la posizione del pianeta Marte. Questo grado di precisione avrebbe deliziato Tolomeo o Copernico, ma era inaccettabile alla luce delle osservazioni dell’astronomo danese Tycho Brahe, fatte dall’Osservatorio di Uraniborg con una varietà di sestanti e quadranti di nuova costruzione e accurate da 1 a 4 piedi. Questa nuova scala di precisione rivoluzionò l’astronomia, perché nel suo Astronomia nova (Nuova Astronomia, 1609), Keplero annunciò che Marte e gli altri pianeti devono muoversi in orbite ellittiche, facilmente prevedibili dalle leggi del moto planetario che egli procedette ad esporre in quest’opera e nelle Harmonices mundi (Armonie del Mondo, 1619). Solo abbandonando il cerchio si poteva ridurre il cielo a un ordine paragonabile alle osservazioni più accurate.

Le leggi di Keplero e la teoria copernicana raggiunsero la loro definitiva verifica con l’enunciazione delle leggi di gravitazione universale di Sir Isaac Newton nei Principia (1687). In queste leggi, il Sole fu assegnato come causa fisica del moto planetario. Le leggi servirono anche come base teorica per derivare le leggi di Keplero. Durante il XVIII secolo, le implicazioni dell’astronomia gravitazionale furono riconosciute e analizzate da abili matematici, in particolare Jean d’Alembert, Alexis Clairaut, Leonhard Euler, Joseph Lagrange e Pierre Laplace. La scienza della meccanica celeste era nata e l’obiettivo di una previsione accurata era finalmente realizzato.

Durante tutta questa discussione le stelle erano state considerate fisse. Mentre lavorava al suo catalogo di 850 stelle, tuttavia, Ipparco aveva già riconosciuto il fenomeno noto come la precessione degli equinozi, un apparente leggero cambiamento nelle posizioni delle stelle in un periodo di centinaia di anni causato da un’oscillazione del moto della Terra. Nel XVIII secolo, Edmond Halley, determinò che le stelle avevano un moto proprio, noto come moto proprio, che era rilevabile anche in un periodo di pochi anni. Le osservazioni delle posizioni stellari, fatte con strumenti di transito attraverso le monumentali fatiche di scienziati come John Flamsteed, posero le basi per risolvere un problema cosmologico di un’altra epoca: la distribuzione delle stelle e la struttura dell’universo.