Istoria astronomiei cuprinde trei domenii definite în linii mari care au caracterizat știința cerului încă de la începuturile sale. Cu diferite grade de accent în rândul anumitor civilizații și în anumite perioade istorice, astronomii au căutat să înțeleagă mișcările corpurilor cerești, să determine caracteristicile fizice ale acestora și să studieze dimensiunea și structura universului. Acest din urmă studiu este cunoscut sub numele de cosmologie.

Mișcările Soarelui, ale Lunii și ale planetelor
Din zorii civilizației până în timpul lui Copernic, astronomia a fost dominată de studiul mișcărilor corpurilor cerești. O astfel de activitate era esențială pentru astrologie, pentru determinarea calendarului și pentru prezicerea eclipselor și a fost, de asemenea, alimentată de dorința de a reduce neregulile la ordine și de a prezice pozițiile corpurilor cerești cu o precizie din ce în ce mai mare. Legătura dintre calendar și mișcările corpurilor cerești este deosebit de importantă, deoarece a însemnat că astronomia a fost esențială pentru determinarea momentelor pentru cele mai de bază funcții ale societăților timpurii, inclusiv plantarea și recoltarea culturilor și celebrarea sărbătorilor religioase.

Fenomenele cerești observate de antici au fost aceleași cu cele de astăzi. Soarele progresa constant spre vest în cursul unei zile, iar stelele și cele cinci planete vizibile făceau același lucru pe timp de noapte. La apusul soarelui se putea observa că Soarele se deplasa spre est cu aproximativ un grad pe zi, pe fundalul stelelor, până când, în decursul unui an, a străbătut complet traseul de 360° al constelațiilor care a ajuns să fie cunoscut sub numele de zodiac. Planetele se deplasau în general, de asemenea, spre est de-a lungul zodiacului, la o distanță de 8° față de traiectoria anuală aparentă a Soarelui (ecliptica), dar uneori făceau inversări derutante pe cer înainte de a-și relua mișcarea normală spre est. Prin comparație, Luna s-a deplasat de-a lungul eclipticii în aproximativ 27 1/3 zile și a trecut prin mai multe faze. Primele civilizații nu și-au dat seama că aceste fenomene erau în parte un produs al mișcării Pământului însuși; ele doreau doar să prezică mișcările aparente ale corpurilor cerești.

Deși egiptenii trebuie să fi fost familiarizați cu aceste fenomene generale, studiul lor sistematic al mișcărilor cerești s-a limitat la legătura dintre inundarea Nilului și primul răsărit vizibil al stelei Sirius. O încercare timpurie de a dezvolta un calendar bazat pe fazele Lunii a fost abandonată ca fiind prea complexă și, ca urmare, astronomia a jucat un rol mai puțin important în civilizația egipteană decât ar fi putut să o facă altfel. În mod similar, chinezii nu au încercat în mod sistematic să determine mișcările cerești. Dovezi surprinzătoare ale unui interes mai substanțial pentru astronomie se regăsesc în prezența unor aliniamente și cercuri de piatră antice descoperite în întreaga Europă și în Marea Britanie, cel mai notabil fiind Stonehenge din Anglia. Încă din anul 3000 î.Hr., colecția de pietre masive de la Stonehenge a funcționat ca un observator antic, unde preoții urmăreau mișcarea anuală a Soarelui în fiecare dimineață de-a lungul orizontului pentru a determina începutul anotimpurilor. În jurul anului 2500 î.Hr. este posibil ca Stonehenge să fi fost folosit pentru a prezice eclipsele de Lună. Abia în anul 1000 d.Hr. au fost întreprinse activități similare de către culturile din Lumea Nouă.

Tabelele babiloniene. Astronomia a atins primele sale mari înălțimi la babilonieni. În perioada cuprinsă între aproximativ 1800 și 400 î.Hr. babilonienii au dezvoltat un calendar bazat pe mișcarea Soarelui și pe fazele Lunii. Pe parcursul celor 400 de ani care au urmat, ei și-au concentrat atenția asupra prezicerii momentului precis în care Luna nouă crescentă a devenit vizibilă pentru prima dată și au definit începutul lunii în funcție de acest eveniment. Tăblițele cuneiforme descifrate abia în ultimul secol demonstrează că babilonienii au rezolvat problema cu o precizie de câteva minute de timp; acest lucru a fost realizat prin compilarea unor tabele de observație precise, care au dezvăluit variații mai mici ale vitezei Soarelui și a Lunii decât cele măsurate vreodată până atunci. Aceste variații – și altele, cum ar fi schimbările de latitudine ale Lunii – au fost analizate numeric prin observarea modului în care variațiile fluctuau cu timpul într-un mod regulat. Ei au folosit aceeași metodă numerică, utilizând aceleași variații, pentru a prezice eclipsele lunare și solare.

Sfere și cercuri grecești. Grecii au folosit mai degrabă o abordare geometrică decât una numerică pentru a înțelege aceleași mișcări cerești. Influențați de conceptul metafizic al lui Platon privind perfecțiunea mișcării circulare, grecii au căutat să reprezinte mișcarea corpurilor cerești divine folosind sfere și cercuri. Această metodă explicativă nu a fost bulversată până când Kepler nu a înlocuit cercul cu elipsa în 1609.

Eudoxus din Cnidus, elevul lui Platon, c.408-c.355 î.Hr. a fost primul care a oferit o soluție în acest sens. El a presupus că fiecare planetă este atașată la una dintre un grup de sfere concentrice conectate, centrate pe Pământ, și că fiecare planetă se rotește pe axe orientate diferit pentru a produce mișcarea observată. Cu această schemă a sferelor cristaline, el nu a reușit să explice variația de strălucire a planetelor; cu toate acestea, schema a fost încorporată în cosmologia lui Aristotel în secolul al IV-lea î.Hr. Astfel, civilizația elenă care a culminat cu Aristotel a încercat să descrie o cosmologie fizică. În schimb, civilizația elenistică care a urmat cuceririlor lui Alexandru cel Mare a dezvoltat în următoarele patru secole mecanisme matematice curând predominante pentru a explica fenomenele celeste. La baza acestei abordări a stat o varietate de cercuri cunoscute sub numele de excentrici, deferenți și epicicluri. Matematicianul elenistic Apollonius din Perga, c.262-c.190 î.Hr. a observat că mișcarea anuală a Soarelui poate fi aproximată printr-un cerc cu Pământul ușor descentrat, sau excentric, explicând astfel variația observată a vitezei pe parcursul unui an. În mod similar, Luna trasează un cerc excentric într-o perioadă de 27 1/3 zile. Mișcarea periodică inversă, sau retrogradă, a planetelor pe cer a necesitat un nou dispozitiv teoretic. S-a presupus că fiecare planetă se deplasează cu o viteză uniformă în jurul unui cerc mic (epiciclul) care se deplasează în jurul unui cerc mai mare (deferent), cu o viteză uniformă adecvată pentru fiecare planetă în parte. Hipparchus, c.190-120 î.Hr., cel mai remarcabil astronom al antichității, a adus îmbunătățiri la teoria Soarelui și a Lunii pe baza observațiilor de la Niceea și din insula Rodos, și a dat teoriei solare în esență forma sa finală. A rămas ca Ptolemeu, c.100-c.165, să compileze toate cunoștințele astronomiei grecești în Almagestul și să elaboreze teoriile lunare și planetare finale.

Cu Ptolemeu, puterea imensă și versatilitatea acestor combinații de cercuri ca mecanisme explicative a atins noi culmi. În cazul Lunii, Ptolemeu nu numai că a explicat principala neregularitate, numită ecuația centrului, care a permis prezicerea eclipselor. De asemenea, el a descoperit și a corectat o altă neregularitate, evecția, în alte puncte ale orbitei Lunii, folosind un epiciclu pe un deferent excentric mobil, al cărui centru se rotea în jurul Pământului. Când Ptolemeu a făcut un alt rafinament, cunoscut sub numele de prosneusis, a reușit să prezică locul Lunii cu o precizie de 10 min, sau 1/6° de arc pe cer; aceste predicții erau în bună concordanță cu precizia observațiilor făcute cu instrumentele folosite la acea vreme. În mod similar, Ptolemeu a descris mișcarea fiecărei planete în Almagestul, care a trecut, cu câteva elaborări notabile, prin civilizația islamică și apoi în civilizația europeană renascentistă care l-a hrănit pe Nicolaus Copernic.

Revoluția asociată cu numele lui Copernic nu a fost o revoluție în astronomia tehnică de explicare a mișcărilor, ci aparține mai degrabă domeniului cosmologiei. Îndemnat în special de o aversiune intensă față de unul dintre dispozitivele explicative ale lui Ptolemeu, cunoscut sub numele de ecuația, care compromitea principiul mișcărilor circulare uniforme, Copernic a plasat nu Pământul, ci Soarele în centrul universului; acest punct de vedere a fost expus în lucrarea sa De revolutionibus orbium caelestium (Despre revoluțiile sferelor cerești, 1543). În această lucrare, însă, el nu a făcut decât să adapteze sistemul grecesc al epiciclurilor și excentricelor la noul aranjament. Rezultatul a fost o simplificare și o armonie inițială, pe măsură ce mișcările diurne și anuale ale Pământului își asumau adevăratul sens, dar nu o simplificare generală în ceea ce privește numărul de epicicluri necesare pentru a obține aceeași acuratețe a predicției ca și Ptolemeu. Prin urmare, nu era deloc clar că acest nou sistem cosmologic deținea cheia adevăratului sistem matematic care putea explica cu exactitate mișcările planetare.

Elipsele kepleriene și gravitația newtoniană. Astronomul german Johannes Kepler a oferit o soluție îndrăzneață la problema mișcărilor planetare și a demonstrat validitatea teoriei heliocentrice a lui Copernic, asociind direct Soarele cu cauza fizică a mișcărilor planetare. Pentru Kepler, problema era o discrepanță de doar 2,5 metri între teorie și observație în ceea ce privește poziția planetei Marte. Acest grad de acuratețe i-ar fi încântat pe Ptolemeu sau Copernic, dar era inacceptabil în lumina observațiilor astronomului danez Tycho Brahe, făcute de la Observatorul Uraniborg cu o varietate de sextante și cadrane nou construite și cu o precizie cuprinsă între 1 și 4 picioare. Această nouă scală de precizie a revoluționat astronomia, deoarece în lucrarea sa Astronomia nova (Noua astronomie, 1609), Kepler a anunțat că Marte și celelalte planete trebuie să se deplaseze pe orbite eliptice, ușor de prevăzut prin legile mișcării planetare pe care a continuat să le expună în această lucrare și în Harmonices mundi (Armoniile lumii, 1619). Numai prin renunțarea la cerc, cerul putea fi redus la un ordin comparabil cu cele mai precise observații.

Legile lui Kepler și teoria copernicană au ajuns la verificarea lor finală odată cu enunțarea de către Sir Isaac Newton a legilor gravitației universale în Principia (1687). În aceste legi, Soarele a fost atribuit ca fiind cauza fizică a mișcării planetare. Legile au servit, de asemenea, drept bază teoretică pentru derivarea legilor lui Kepler. În secolul al XVIII-lea, implicațiile astronomiei gravitaționale au fost recunoscute și analizate de matematicieni capabili, în special de Jean d’ Alembert, Alexis Clairaut, Leonhard Euler, Joseph Lagrange și Pierre Laplace. S-a născut știința mecanicii celeste, iar obiectivul unei predicții exacte a fost în cele din urmă realizat.

În toată această discuție, stelele au fost considerate ca fiind fixe. Cu toate acestea, în timp ce lucra la catalogul său de 850 de stele, Hipparchus recunoscuse deja fenomenul cunoscut sub numele de precesia echinocțiilor, o ușoară schimbare aparentă a poziției stelelor pe o perioadă de sute de ani, cauzată de o oscilație în mișcarea Pământului. În secolul al XVIII-lea, Edmond Halley, a stabilit că stelele au o mișcare proprie, cunoscută sub numele de mișcare proprie, care poate fi detectată chiar și pe o perioadă de câțiva ani. Observațiile pozițiilor stelare, realizate cu instrumente de tranzit prin munca monumentală a unor oameni de știință precum John Flamsteed, au pus bazele rezolvării unei probleme cosmologice de altă epocă: distribuția stelelor și structura universului.

.