Historia astronomii obejmuje trzy szeroko zdefiniowane obszary, które charakteryzują naukę o niebie od jej początków. Z różnym natężeniem wśród poszczególnych cywilizacji i w poszczególnych okresach historycznych astronomowie starali się zrozumieć ruchy ciał niebieskich, określić ich właściwości fizyczne oraz zbadać rozmiar i strukturę wszechświata. Te ostatnie badania znane są jako kosmologia.
Ruchy Słońca, Księżyca i planet
Od zarania cywilizacji do czasów Kopernika astronomia była zdominowana przez badanie ruchów ciał niebieskich. Praca ta była niezbędna dla astrologii, wyznaczania kalendarza i przewidywania zaćmień, a także podsycana pragnieniem sprowadzenia nieregularności do porządku i przewidywania położeń ciał niebieskich z coraz większą dokładnością. Związek między kalendarzem a ruchami ciał niebieskich jest szczególnie ważny, ponieważ oznaczał, że astronomia była niezbędna do określenia czasu dla najbardziej podstawowych funkcji wczesnych społeczeństw, w tym sadzenia i zbierania plonów oraz obchodzenia świąt religijnych.
Zjawiska niebieskie obserwowane przez starożytnych były takie same jak te dzisiejsze. The Słońce postępować stale na zachód w ciągu dnia, i the gwiazda i the pięć widoczny planeta robić the to samo przy noc. Słońce można było zaobserwować przy zachodzie słońca, że przesuwało się na wschód o jeden stopień dziennie na tle gwiazd, aż w ciągu roku całkowicie przemierzyło 360-stopniową ścieżkę gwiazdozbiorów, która stała się znana jako zodiak. Planety na ogół również poruszały się na wschód wzdłuż zodiaku, w granicach 8° od pozornej rocznej drogi Słońca (ekliptyki), ale czasami dokonywały zagadkowych zwrotów na niebie, zanim wznawiały swój normalny ruch na wschód. Dla porównania, Księżyc przemieszczał się po ekliptyce w ciągu około 27 1/3 dni i przechodził przez kilka faz. Najwcześniejsze cywilizacje nie zdawały sobie sprawy, że zjawiska te były po części produktem ruchu samej Ziemi; chciały jedynie przewidzieć pozorne ruchy ciał niebieskich.
Ale Egipcjanie musieli znać te ogólne zjawiska, ich systematyczne badania ruchów niebieskich ograniczały się do powiązania wylewu Nilu z pierwszym widocznym wzejściem gwiazdy Syriusz. Wczesna próba opracowania kalendarza opartego na fazach księżyca została zarzucona jako zbyt skomplikowana, w wyniku czego astronomia odegrała w cywilizacji egipskiej mniejszą rolę, niż mogłaby odegrać. Podobnie Chińczycy nie podejmowali systematycznych prób wyznaczania ruchów nieba. Zaskakujące dowody na większe zainteresowanie astronomią można znaleźć w obecności starożytnych kamiennych osi i kamiennych kręgów znalezionych w całej Europie i Wielkiej Brytanii, z których najbardziej godnym uwagi jest Stonehenge w Anglii. Już 3000 lat p.n.e. kolekcja masywnych kamieni w Stonehenge funkcjonowała jako starożytne obserwatorium, gdzie kapłani każdego ranka śledzili roczny ruch Słońca wzdłuż horyzontu, aby określić początek pór roku. Do około 2500 r. p.n.e. Stonehenge mogło być używane do przewidywania zaćmień Księżyca. Dopiero w 1000 r. n.e. podobne działania zostały podjęte przez kultury Nowego Świata.
Tablice babilońskie. Astronomia osiągnęła swoje pierwsze wielkie szczyty wśród Babilończyków. W okresie od około 1800 do 400 r. p.n.e. Babilończycy opracowali kalendarz oparty na ruchu Słońca i fazach Księżyca. W ciągu kolejnych 400 lat skupili swoją uwagę na przewidywaniu dokładnego czasu, kiedy po raz pierwszy widoczny będzie nowy półksiężyc, i według tego wydarzenia określali początek miesiąca. Tabliczki z pismem klinowym rozszyfrowane dopiero w ostatnim stuleciu dowodzą, że Babilończycy rozwiązali ten problem z dokładnością do kilku minut czasu; zostało to osiągnięte przez sporządzenie precyzyjnych tabel obserwacyjnych, które ujawniły mniejsze zmiany w prędkości Słońca i Księżyca niż kiedykolwiek wcześniej zmierzono. Wahania te – oraz inne, takie jak zmiany szerokości geograficznej Księżyca – analizowano numerycznie, zauważając, jak regularnie zmieniają się one w czasie. Użyli tej samej metody numerycznej, wykorzystując te same wariacje, do przewidywania zaćmień księżyca i słońca.
Greckie kule i okręgi. The Grek używać geometryczny raczej numeryczny podejście the ten sam celestial ruch. Pod wpływem metafizycznej koncepcji Platona o doskonałości ruchu okrężnego, Grecy starali się przedstawić ruch boskich ciał niebieskich za pomocą sfer i okręgów. Ta metoda wyjaśniania nie została zachwiana, dopóki Kepler nie zastąpił koła elipsą w 1609 r.
Uczeń Platona, Eudoksos z Cnidus, ok. 408-c.355 p.n.e., był pierwszym, który zaproponował rozwiązanie wzdłuż tych linii. On zakładać że każdy planeta dołączać jeden jeden grupa połączony koncentryczny sfera centrować na the Ziemia, i że każdy planeta obracać na różnie zorientowany oś the obserwować ruch. W tym schemacie krystalicznych sfer nie udało mu się wyjaśnić zmienności jasności planet; schemat ten został jednak włączony do kosmologii Arystotelesa w IV w. p.n.e. Tak więc cywilizacja hellenistyczna, której szczytowym osiągnięciem był Arystoteles, podjęła próbę opisania kosmologii fizycznej. W przeciwieństwie do niej, cywilizacja hellenistyczna, która nastąpiła po podbojach Aleksandra Wielkiego, rozwinęła w ciągu następnych czterech stuleci dominujące wkrótce matematyczne mechanizmy wyjaśniania zjawisk niebieskich. Podstawą tego podejścia były rozmaite okręgi znane jako mimośrody, deferenty i epicykle. Hellenistyczny matematyk Apolloniusz z Pergi (ok. 262-ok. 190 p.n.e.) zauważył, że roczny ruch Słońca może być przybliżony przez okrąg, w którym Ziemia znajduje się nieco poza środkiem, czyli mimośrodem, co tłumaczy obserwowaną zmienność prędkości w ciągu roku. Podobnie Księżyc zakreśla ekscentryczny okrąg w okresie 27 1/3 dni. Okresowy ruch wsteczny planet po niebie wymagał nowego aparatu teoretycznego. Przyjęto, że każda planeta porusza się z jednakową prędkością po małym okręgu (epicyklu), który porusza się po większym okręgu (deferencie), z jednakową prędkością właściwą dla danej planety. Hipparchus, ok. 190-120 p.n.e., najwybitniejszy astronom starożytności, na podstawie obserwacji z Nicei i wyspy Rodos udoskonalił teorię Słońca i Księżyca, nadając jej w zasadzie ostateczną postać. Ptolemeuszowi, ok. 100-ok. 165 r., pozostało zebrać całą wiedzę greckiej astronomii w Almageście i opracować ostateczne teorie księżycowe i planetarne.
Z Ptolemeuszem ogromna moc i wszechstronność tych kombinacji kół jako mechanizmów wyjaśniających osiągnęła nowe wyżyny. W przypadku Księżyca Ptolemeusz nie tylko uwzględnił główną nieregularność, zwaną równaniem środka, co pozwoliło na przewidywanie zaćmień. Odkrył też i skorygował inną nierówność – ewekturę – w innych punktach orbity Księżyca, posługując się epicyklem na ruchomym mimośrodowym deferencie, którego środek obracał się wokół Ziemi. Gdy Ptolemeusz dokonał dalszego udoskonalenia, zwanego prosneusis, potrafił przewidzieć miejsce Księżyca na niebie z dokładnością do 10 minut, czyli 1/6° łuku; przewidywania te zgadzały się z dokładnością obserwacji dokonywanych za pomocą ówczesnych przyrządów. Podobnie Ptolemeusz opisał ruch każdej planety w Almageście, który przeszedł, z kilkoma godnymi uwagi opracowaniami, przez cywilizację islamską i dalej do renesansowej cywilizacji europejskiej, która wychowała Mikołaja Kopernika.
Rewolucja związana z nazwiskiem Kopernika nie była rewolucją w technicznej astronomii wyjaśniającej ruchy, lecz należy raczej do dziedziny kosmologii. Kopernik, powodowany przede wszystkim niechęcią do jednego z wyjaśnień Ptolemeusza, zwanego równikiem, który godził w zasadę jednostajnego ruchu okrężnego, w centrum wszechświata umieścił nie Ziemię, lecz Słońce; pogląd ten wyłożył w De revolutionibus orbium caelestium (O obrotach sfer niebieskich, 1543). W dziele tym jednak jedynie zaadaptował grecki system epicykli i mimośrodów do nowego układu. Rezultatem było początkowe uproszczenie i harmonia, gdy ruchy dzienne i roczne Ziemi nabrały prawdziwego znaczenia, ale nie nastąpiło ogólne uproszczenie liczby epicykli potrzebnych do osiągnięcia takiej samej dokładności przewidywań, jaką miał Ptolemeusz. Nie było więc wcale jasne, że ten nowy system kosmologiczny zawierał klucz do prawdziwego systemu matematycznego, który mógłby dokładnie wyjaśnić ruchy planet.
Eliptyki Keplerowskie i grawitacja newtonowska. Niemiecki astronom Johannes Kepler podał śmiałe rozwiązanie problemu ruchów planet i wykazał słuszność heliocentrycznej teorii Kopernika, bezpośrednio wiążąc Słońce z fizyczną przyczyną ruchów planet. Keplerowi chodziło o zaledwie 8 stóp rozbieżności między teorią a obserwacją położenia planety Mars. Ten stopień dokładności zachwyciłby Ptolemeusza lub Kopernika, ale był nie do przyjęcia w świetle obserwacji duńskiego astronoma Tycho Brahego, dokonanych z Obserwatorium Uraniborskiego za pomocą wielu nowo skonstruowanych sekstantów i kwadrantów z dokładnością do 1 stopy do 4 stóp. Ta nowa skala dokładności zrewolucjonizowała astronomię, gdyż w swej Astronomia nova (Nowa astronomia, 1609) Kepler ogłosił, że Mars i inne planety muszą poruszać się po eliptycznych orbitach, łatwo przewidywalnych dzięki prawom ruchu planetarnego, które następnie objaśnił w tym dziele i w Harmonices mundi (Harmoniach świata, 1619). Tylko porzucenie koła umożliwiło sprowadzenie nieba do porządku porównywalnego z najdokładniejszymi obserwacjami.
Prawa Keplera i teoria kopernikańska zostały ostatecznie zweryfikowane przez Sir Isaaca Newtona, który w Principiach (1687) ogłosił prawa powszechnego ciążenia. W prawach tych Słońce zostało przypisane jako fizyczna przyczyna ruchu planet. Prawa te posłużyły również jako teoretyczna podstawa do wyprowadzenia praw Keplera. W XVIII wieku implikacje astronomii grawitacyjnej zostały dostrzeżone i przeanalizowane przez zdolnych matematyków, zwłaszcza Jeana d’ Alemberta, Alexisa Clairauta, Leonharda Eulera, Josepha Lagrange’a i Pierre’a Laplace’a. Narodziła się nauka o mechanice nieba, a cel dokładnego przewidywania został ostatecznie zrealizowany.
Podczas całej tej dyskusji gwiazdy były uważane za stałe. Podczas pracy nad swoim katalogiem 850 gwiazd Hipparchus rozpoznał jednak zjawisko znane jako precesja równonocy, pozornie niewielką zmianę pozycji gwiazd w okresie setek lat, spowodowaną chybotaniem w ruchu Ziemi. W XVIII wieku Edmond Halley ustalił, że gwiazdy mają swój własny ruch, znany jako ruch właściwy, który jest wykrywalny nawet w okresie kilku lat. Obserwacje pozycji gwiazd, wykonane za pomocą instrumentów tranzytowych dzięki monumentalnej pracy takich naukowców jak John Flamsteed, stworzyły podstawy do rozwiązania kosmologicznego problemu innej epoki: rozmieszczenia gwiazd i struktury wszechświata.