Astronomins historia omfattar tre brett definierade områden som har kännetecknat vetenskapen om himlen sedan dess början. Med varierande betoning bland särskilda civilisationer och under särskilda historiska perioder har astronomer försökt förstå himlakropparnas rörelser, fastställa deras fysiska egenskaper och studera universums storlek och struktur. Den sistnämnda studien kallas kosmologi.
Solens, månens och planeternas rörelser
Från civilisationens gryning fram till Kopernikus’ tid dominerades astronomin av studiet av himlakropparnas rörelser. Sådant arbete var nödvändigt för astrologin, för fastställandet av kalendern och för förutsägelsen av förmörkelser, och det drevs också av en önskan att reducera oregelbundenhet till ordning och förutsäga himlakropparnas positioner med allt större noggrannhet. Kopplingen mellan kalendern och himlakropparnas rörelser är särskilt viktig, eftersom den innebar att astronomin var nödvändig för att bestämma tiderna för de mest grundläggande funktionerna i de tidiga samhällena, inklusive plantering och skörd av grödor och firandet av religiösa högtider.
De himmelska fenomen som observerades av de gamla var desamma som idag. Solen gick stadigt framåt västerut under loppet av en dag, och stjärnorna och de fem synliga planeterna gjorde detsamma på natten. Vid solnedgången kunde man se att solen rörde sig österut ungefär en grad per dag mot bakgrund av stjärnorna, tills den under loppet av ett år helt och hållet hade korsat den 360° långa bana av konstellationer som kom att kallas zodiaken. Planeterna rörde sig i allmänhet också österut längs zodiaken, inom 8° från solens skenbara årliga bana (ekliptikan), men ibland gjorde de förbryllande omkastningar på himlen innan de återupptog sin normala rörelse österut. Som jämförelse rörde sig månen över ekliptikan på ungefär 27 1/3 dagar och genomgick flera faser. De tidigaste civilisationerna insåg inte att dessa fenomen delvis var en produkt av själva jordens rörelse; de ville bara förutsäga himlakropparnas skenbara rörelser.
Och även om egyptierna måste ha varit bekanta med dessa allmänna fenomen, begränsades deras systematiska studier av himlakropparnas rörelser till sambandet mellan Nilens översvämning och den första synliga uppkomsten av stjärnan Sirius. Ett tidigt försök att utveckla en kalender baserad på månens faser övergavs som alltför komplicerat, och som ett resultat spelade astronomin en mindre roll i den egyptiska civilisationen än vad den annars skulle ha kunnat göra. På samma sätt försökte kineserna inte systematiskt att bestämma himmelska rörelser. Överraskande bevis för ett mer omfattande intresse för astronomi finns i förekomsten av forntida stensättningar och stencirklar som finns över hela Europa och Storbritannien, varav Stonehenge i England är den mest anmärkningsvärda. Så tidigt som 3000 f.Kr. fungerade samlingen av massiva stenar vid Stonehenge som ett forntida observatorium, där prästerna varje morgon följde solens årliga rörelse längs horisonten för att avgöra när årstiderna började. Omkring 2500 f.Kr. kan Stonehenge ha använts för att förutsäga månförmörkelser. Inte förrän år 1000 e.Kr. inleddes liknande aktiviteter av kulturer i den nya världen.
Babyloniska tabeller. Astronomin nådde sina första stora höjder bland babylonierna. Under perioden från cirka 1800 till 400 f.Kr. utvecklade babylonierna en kalender baserad på solens rörelse och månens faser. Under de 400 år som följde fokuserade de sin uppmärksamhet på att förutsäga exakt när den nya halvmånen först blev synlig och definierade månadens början i enlighet med denna händelse. Kuneiformtavlor som dechiffrerats först under det senaste århundradet visar att babylonierna löste problemet med en noggrannhet på några minuter. Detta uppnåddes genom att de sammanställde exakta observationstabeller som avslöjade mindre variationer i solens och månens hastighet än vad som någonsin tidigare hade uppmätts. Dessa variationer – och andra som förändringar i månens latitud – analyserades numeriskt genom att man noterade hur variationerna fluktuerade med tiden på ett regelbundet sätt. De använde samma numeriska metod, med samma variationer, för att förutsäga mån- och solförmörkelser.
Grekiska sfärer och cirklar. Grekerna använde en geometrisk snarare än en numerisk metod för att förstå samma himmelska rörelser. Influerade av Platons metafysiska begrepp om den cirkulära rörelsens perfektion försökte grekerna representera de gudomliga himlakropparnas rörelser med hjälp av sfärer och cirklar. Denna förklaringsmetod rubbades inte förrän Kepler ersatte cirkeln med ellipsen år 1609.
Platons elev Eudoxus av Cnidus, ca 408-c 355 f.Kr., var den förste som erbjöd en lösning i denna riktning. Han antog att varje planet är fäst vid en av en grupp sammanhängande koncentriska sfärer centrerade kring jorden, och att varje planet roterar på olika orienterade axlar för att åstadkomma den observerade rörelsen. Med detta schema med kristallina sfärer lyckades han inte förklara variationen i planeternas ljusstyrka; schemat införlivades dock i Aristoteles kosmologi under 400-talet f.Kr. Således försökte den grekiska civilisationen som kulminerade med Aristoteles att beskriva en fysisk kosmologi. Däremot utvecklade den hellenistiska civilisationen som följde efter Alexander den stores erövringar under de följande fyra århundradena snart dominerande matematiska mekanismer för att förklara himmelsfenomenen. Grunden för detta tillvägagångssätt var en mängd olika cirklar som kallas excentriska cirklar, deferenter och epicyklar. Den hellenistiska matematikern Apollonius av Perga, ca 262-c.190 f.Kr., noterade att solens årliga rörelse kan approximeras av en cirkel där jorden är något ocentrisk, eller excentrisk, vilket förklarar den observerade variationen i hastighet under ett år. På samma sätt följer månen en excentrisk cirkel med en period på 27 1/3 dagar. Planeternas periodiska omvända, eller retrograd, rörelse över himlen krävde en ny teoretisk konstruktion. Varje planet antogs röra sig med enhetlig hastighet runt en liten cirkel (epicykeln) som rörde sig runt en större cirkel (deferenten), med en enhetlig hastighet som var lämplig för varje enskild planet. Hipparchos, ca 190-120 f.Kr., antikens mest framstående astronom, förfinade teorin om solen och månen på grundval av observationer från Nicaea och ön Rhodos, och han gav solteorin i stort sett sin slutliga form. Det lämnades till Ptolemaios, ca 100-c.165, att sammanställa all kunskap om grekisk astronomi i Almagest och att utveckla de slutliga mån- och planetteorierna.
Med Ptolemaios nådde den oerhörda kraften och mångsidigheten hos dessa kombinationer av cirklar som förklaringsmekanismer nya höjder. När det gäller månen redogjorde Ptolemaios inte bara för den främsta oregelbundenheten, kallad centrumekvationen, som gjorde det möjligt att förutsäga förmörkelser. Han upptäckte och korrigerade också en annan oregelbundenhet, evektion, på andra punkter i månens bana genom att använda en epicykel på en rörlig excentrisk deferent, vars centrum kretsade kring jorden. När Ptolemaios gjorde en ytterligare förfining, känd som prosneusis, kunde han förutsäga månens plats på himlen inom 10 min, eller 1/6°, bågform; dessa förutsägelser stämde väl överens med noggrannheten hos de observationer som gjordes med de instrument som användes vid den tiden. På samma sätt beskrev Ptolemaios varje planets rörelse i Almagest, som med några få anmärkningsvärda utvecklingar passerade genom den islamiska civilisationen och vidare till den europeiska renässanscivilisationen som gav näring åt Nicolaus Copernicus.
Revolutionen som förknippas med namnet Copernicus var inte en revolution inom den tekniska astronomin för att förklara rörelser, utan hör snarare hemma på kosmologins område. Framför allt drivet av en stark motvilja mot en av Ptolemaios förklaringsmekanismer, den så kallade ekvanten, som äventyrade principen om enhetliga cirkelrörelser, placerade Kopernikus inte jorden utan solen i universums centrum; denna åsikt framfördes i hans De revolutionibus orbium caelestium (Om de himmelska sfärernas rotationer, 1543). I det verket anpassade han dock bara det grekiska systemet med epicyklar och excenter till det nya arrangemanget. Resultatet blev en inledande förenkling och harmoni när jordens dygns- och årsrörelser fick sin rätta innebörd, men ingen övergripande förenkling av antalet epicyklar som behövdes för att uppnå samma noggrannhet i förutsägelserna som Ptolemaios. Det var därför inte alls klart att detta nya kosmologiska system innehöll nyckeln till det sanna matematiska systemet som exakt kunde förklara planeternas rörelser.
Keplerianska ellipser och newtonsk gravitation. Den tyske astronomen Johannes Kepler kom med en djärv lösning på problemet med planetrörelser och visade att Kopernikus’ heliocentriska teori var giltig, genom att direkt koppla samman solen med den fysiska orsaken till planetrörelser. För Kepler handlade det om en diskrepans mellan teori och observation på endast 8 fot när det gäller planeten Mars position. Denna grad av noggrannhet skulle ha glädjt Ptolemaios eller Kopernikus, men den var oacceptabel mot bakgrund av den danske astronomen Tycho Brahes observationer, som gjordes från Uraniborgsobservatoriet med en mängd nykonstruerade sextanter och kvadranter och som var exakta med en noggrannhet på mellan 1 fot och 4 fot. Denna nya noggrannhetsskala revolutionerade astronomin, för i sin Astronomia nova (Ny astronomi, 1609) meddelade Kepler att Mars och de andra planeterna måste röra sig i elliptiska banor, vilket är lätt att förutsäga med hjälp av lagarna för planetarisk rörelse som han fortsatte att förklara i detta arbete och i Harmonices mundi (Harmonier i världen, 1619). Endast genom att överge cirkeln kunde himlen reduceras till en ordning som var jämförbar med de mest exakta observationerna.
Keplers lagar och den kopernikanska teorin nådde sin slutgiltiga verifiering i och med Sir Isaac Newtons formulering av den universella gravitationens lagar i Principia (1687). I dessa lagar angavs solen som den fysiska orsaken till planeternas rörelse. Lagarna tjänade också som teoretisk grund för att härleda Keplers lagar. Under 1700-talet uppmärksammades och analyserades följderna av gravitationsastronomin av skickliga matematiker, särskilt Jean d’Alembert, Alexis Clairaut, Leonhard Euler, Joseph Lagrange och Pierre Laplace. Vetenskapen om himmelsmekanik föddes och målet med exakta förutsägelser förverkligades äntligen.
Under hela denna diskussion hade stjärnorna betraktats som fasta. Medan Hipparchus arbetade med sin katalog över 850 stjärnor hade han dock redan uppmärksammat det fenomen som kallas ekvinoxernas precession, en skenbart liten förändring av stjärnornas positioner under en period av hundratals år som orsakas av en vinglighet i jordens rörelse. På 1700-talet konstaterade Edmond Halley att stjärnorna hade en egen rörelse, den så kallade egenrörelsen, som kunde upptäckas även över en period på några år. Observationerna av stjärnornas positioner, som gjordes med transitinstrument genom det monumentala arbetet av forskare som John Flamsteed, lade grunden för att lösa ett kosmologiskt problem från en annan tid: fördelningen av stjärnorna och universums struktur.