De geschiedenis van de astronomie omvat drie breed gedefinieerde gebieden die de wetenschap van de hemelen sinds het begin hebben gekenmerkt. Met wisselende nadruk bij bepaalde beschavingen en gedurende bepaalde historische perioden hebben astronomen getracht de bewegingen van hemellichamen te begrijpen, hun fysische kenmerken te bepalen, en de omvang en structuur van het heelal te bestuderen. Deze laatste studie staat bekend als kosmologie.

Moties van Zon, Maan en Planeten
Van het begin van de beschaving tot de tijd van Copernicus werd de astronomie gedomineerd door de studie van de bewegingen van hemellichamen. Dit werk was essentieel voor de astrologie, voor de bepaling van de kalender en voor de voorspelling van verduisteringen, en het werd ook gevoed door het verlangen om onregelmatigheden terug te brengen tot orde en om de posities van hemellichamen met steeds grotere nauwkeurigheid te voorspellen. Het verband tussen de kalender en de bewegingen van de hemellichamen is bijzonder belangrijk, omdat het betekende dat de astronomie essentieel was voor het bepalen van de tijdstippen voor de meest elementaire functies van de vroege samenlevingen, waaronder het planten en oogsten van gewassen en het vieren van religieuze feesten.

De hemelverschijnselen die door de ouden werden waargenomen, waren dezelfde als die van vandaag. De zon ging in de loop van een dag gestaag westwaarts, en de sterren en de vijf zichtbare planeten deden ’s nachts hetzelfde. Men kon bij zonsondergang waarnemen dat de zon zich ongeveer één graad per dag in oostelijke richting bewoog tegen de achtergrond van de sterren, totdat zij in de loop van een jaar het 360° pad van sterrenbeelden, dat bekend is geworden als de dierenriem, volledig had afgelegd. De planeten bewogen in het algemeen ook oostwaarts langs de dierenriem, binnen 8° van het schijnbare jaarpad van de Zon (de ecliptica), maar soms maakten zij raadselachtige omkeringen aan de hemel voordat zij hun normale oostwaartse beweging hervatten. Ter vergelijking, de Maan bewoog over de ecliptica in ongeveer 27 1/3 dagen en doorliep verschillende fasen. De vroegste beschavingen beseften niet dat deze verschijnselen ten dele een gevolg waren van de beweging van de Aarde zelf; zij wilden slechts de schijnbare bewegingen van de hemellichamen voorspellen.

Hoewel de Egyptenaren met deze algemene verschijnselen bekend moeten zijn geweest, bleef hun systematische studie van hemelbewegingen beperkt tot het verband tussen de overstroming van de Nijl en de eerste zichtbare opkomst van de ster Sirius. Een vroege poging om een kalender te ontwikkelen op basis van de maanfasen werd als te ingewikkeld opgegeven, en als gevolg daarvan speelde de astronomie een minder grote rol in de Egyptische beschaving dan anders misschien het geval zou zijn geweest. Ook de Chinezen deden geen systematische pogingen om de bewegingen van de sterren te bepalen. Verrassend bewijs voor een grotere belangstelling voor astronomie is te vinden in de aanwezigheid van oude steenformaties en steencirkels in heel Europa en Groot-Brittannië, waarvan Stonehenge in Engeland de meest opvallende is. Al in 3000 v. Chr. fungeerde de verzameling massieve stenen bij Stonehenge als een oud observatorium, waar priesters elke ochtend de jaarlijkse beweging van de zon langs de horizon volgden om het begin van de seizoenen te bepalen. Rond 2500 v. Chr. werd Stonehenge wellicht gebruikt om maansverduisteringen te voorspellen. Pas in 1000 na Chr. werden soortgelijke activiteiten ondernomen door culturen in de Nieuwe Wereld.

Babylonische Tafelen. De astronomie bereikte haar eerste grote hoogte onder de Babyloniërs. In de periode van ongeveer 1800 tot 400 v. Chr. ontwikkelden de Babyloniërs een kalender die gebaseerd was op de beweging van de zon en de maanfasen. Gedurende de 400 jaar die volgden, richtten zij hun aandacht op de voorspelling van het precieze tijdstip waarop de nieuwe maansikkel voor het eerst zichtbaar werd en bepaalden zij het begin van de maand aan de hand van deze gebeurtenis. Pas in de vorige eeuw ontcijferde spijkerschrift tafelen tonen aan dat de Babyloniërs het probleem tot op enkele minuten nauwkeurig oplosten; dit werd bereikt door het samenstellen van nauwkeurige waarnemingstabellen die kleinere variaties in de snelheid van de Zon en de Maan aan het licht brachten dan ooit eerder gemeten. Deze variaties – en andere zoals veranderingen in de breedtegraad van de maan – werden numeriek geanalyseerd door op te merken hoe de variaties op regelmatige wijze met de tijd fluctueerden. Zij gebruikten dezelfde numerieke methode, gebruik makend van dezelfde variaties, om maansverduisteringen en zonsverduisteringen te voorspellen.

Griekse Sferen en Cirkels. De Grieken gebruikten een geometrische in plaats van een numerieke benadering om dezelfde hemelbewegingen te begrijpen. Onder invloed van Plato’s metafysische concept van de volmaaktheid van cirkelvormige beweging, trachtten de Grieken de beweging van de goddelijke hemellichamen weer te geven door gebruik te maken van bollen en cirkels. Deze verklaringsmethode werd pas verstoord toen Kepler in 1609 de cirkel door de ellips verving.

Plato’s leerling Eudoxus van Cnidus, c.408-c.355 v. Chr., was de eerste die een oplossing langs deze lijnen aanbood. Hij nam aan dat elke planeet verbonden is aan een van een groep verbonden concentrische bollen met de aarde als middelpunt, en dat elke planeet om verschillend georiënteerde assen draait om de waargenomen beweging te produceren. Met dit schema van kristallijne bollen slaagde hij er niet in de variatie in helderheid van de planeten te verklaren; het schema werd echter in de 4e eeuw v. Chr. in de kosmologie van Aristoteles opgenomen. De Helleense beschaving die haar hoogtepunt bereikte met Aristoteles trachtte dus een fysische kosmologie te beschrijven. Daarentegen ontwikkelde de Hellenistische beschaving die volgde op de veroveringen van Alexander de Grote in de volgende vier eeuwen spoedig overheersende wiskundige mechanismen om hemelverschijnselen te verklaren. De basis voor deze benadering werd gevormd door een verscheidenheid van cirkels die bekend staan als excentrieken, deferenten en epicykels. De hellenistische wiskundige Apollonius van Perga, c.262-c.190 v. Chr., merkte op dat de jaarlijkse beweging van de Zon kan worden benaderd door een cirkel met de Aarde iets uit het midden, of excentrisch, waardoor de waargenomen variatie in snelheid over een jaar kan worden verklaard. Op dezelfde manier legt de Maan een excentrische cirkel af in een periode van 27 1/3 dag. De periodieke omgekeerde, of retrograde, beweging van de planeten langs de hemel vereiste een nieuw theoretisch apparaat. Elke planeet werd verondersteld met uniforme snelheid rond een kleine cirkel te bewegen (de epicyclus) die rond een grotere cirkel bewoog (de deferente), met een uniforme snelheid passend bij elke specifieke planeet. Hipparchus, ca. 190-120 v. Chr., de meest vooraanstaande astronoom uit de oudheid, verfijnde de theorie van de Zon en de Maan aan de hand van waarnemingen in Nicaea en op het eiland Rhodos, en hij gaf de zonnetheorie in wezen haar definitieve vorm. Het was aan Ptolemaeus, ca.100-c.165, overgelaten om alle kennis van de Griekse astronomie te bundelen in de Almagest en de uiteindelijke maan- en planeettheorieën te ontwikkelen.

Met Ptolemaeus bereikte de immense kracht en veelzijdigheid van deze combinaties van cirkels als verklaringsmechanismen nieuwe hoogten. In het geval van de Maan verklaarde Ptolemeus niet alleen de belangrijkste onregelmatigheid, de zogenaamde vergelijking van het middelpunt, die de voorspelling van verduisteringen mogelijk maakte. Hij ontdekte en corrigeerde ook een andere onregelmatigheid, de evectie, op andere punten van de baan van de maan door gebruik te maken van een epicycle op een beweegbaar excentrisch deferent, waarvan het middelpunt rond de aarde draaide. Toen Ptolemaeus een verdere verfijning doorvoerde, prosneusis geheten, kon hij de plaats van de Maan binnen 10 min, of 1/6°, boog aan de hemel voorspellen; deze voorspellingen kwamen goed overeen met de nauwkeurigheid van de waarnemingen met de instrumenten die in die tijd werden gebruikt. Evenzo beschreef Ptolemaeus de beweging van elke planeet in de Almagest, die, met een paar opmerkelijke uitwijdingen, overging in de Islamitische beschaving en vervolgens in de Europese beschaving van de Renaissance, waar Nicolaus Copernicus werd geboren.

De revolutie die de naam Copernicus draagt was geen revolutie in de technische astronomie van het verklaren van bewegingen, maar behoort veeleer tot het domein van de kosmologie. Copernicus plaatste niet de Aarde maar de Zon in het centrum van het heelal; dit standpunt werd uiteengezet in zijn De revolutionibus orbium caelestium (Over de omwentelingen van de hemelsferen, 1543). In dat werk paste hij echter alleen het Griekse systeem van epicykels en excentrieken aan de nieuwe opstelling aan. Het resultaat was een aanvankelijke vereenvoudiging en harmonie doordat de dag- en jaarbewegingen van de aarde hun ware betekenis kregen, maar geen algehele vereenvoudiging van het aantal epicykels dat nodig was om dezelfde nauwkeurigheid van voorspelling te bereiken als bij Ptolemaeus het geval was geweest. Het was daarom helemaal niet duidelijk dat dit nieuwe kosmologische systeem de sleutel bevatte tot het ware wiskundige systeem dat nauwkeurig de planeetbewegingen kon verklaren.

Kepleriaanse Ellipsen en Newtoniaanse Gravitatie. De Duitse astronoom Johannes Kepler gaf een gedurfde oplossing voor het probleem van de planeetbewegingen en toonde de geldigheid aan van de heliocentrische theorie van Copernicus, door de Zon rechtstreeks in verband te brengen met de fysieke oorzaak van de planeetbewegingen. Het probleem voor Kepler was een verschil van slechts 15 meter tussen de theorie en de waarneming voor de positie van de planeet Mars. Deze mate van nauwkeurigheid zou Ptolemaeus of Copernicus verheugd hebben, maar het was onaanvaardbaar in het licht van de waarnemingen van de Deense astronoom Tycho Brahe, gedaan vanuit het Uraniborg Observatorium met een verscheidenheid aan nieuw gebouwde sextanten en kwadranten en nauwkeurig tot op 1 voet tot 4 voet. Deze nieuwe schaal van nauwkeurigheid revolutioneerde de astronomie, want in zijn Astronomia nova (Nieuwe Astronomie, 1609) kondigde Kepler aan dat Mars en de andere planeten in elliptische banen moesten bewegen, gemakkelijk voorspelbaar door de wetten van de planeetbeweging die hij verder uiteenzette in dit werk en in de Harmonices mundi (Harmonieën van de Wereld, 1619). Alleen door af te zien van de cirkel konden de hemelen worden teruggebracht tot een orde die vergelijkbaar was met de meest nauwkeurige waarnemingen.

De wetten van Kepler en de Copernicaanse theorie bereikten hun ultieme verificatie met Sir Isaac Newtons uiteenzetting van de wetten van de universele gravitatie in de Principia (1687). In deze wetten werd de zon aangewezen als de fysische oorzaak van de planetaire beweging. De wetten dienden ook als theoretische basis voor de afleiding van de wetten van Kepler. In de 18e eeuw werden de implicaties van de gravitatie-astronomie erkend en geanalyseerd door bekwame wiskundigen, met name Jean d’Alembert, Alexis Clairaut, Leonhard Euler, Joseph Lagrange, en Pierre Laplace. De wetenschap van de hemelmechanica was geboren en het doel van nauwkeurige voorspellingen was eindelijk bereikt.

Tijdens al deze discussies werden de sterren als vast beschouwd. Hipparchus, die aan zijn catalogus van 850 sterren werkte, had echter reeds het verschijnsel van de precessie van de equinoxen ontdekt, een schijnbaar kleine verandering in de stand van de sterren over een periode van honderden jaren, veroorzaakt door een wiebeling in de beweging van de aarde. In de 18e eeuw stelde Edmond Halley vast dat de sterren hun eigen beweging hadden, eigenbeweging genoemd, die zelfs over een periode van een paar jaar waarneembaar was. De waarnemingen van de posities van de sterren, gedaan met transito-instrumenten door het monumentale werk van wetenschappers als John Flamsteed, legden de basis voor de oplossing van een kosmologisch probleem uit een ander tijdperk: de verdeling van de sterren en de structuur van het heelal.