天文学の歴史

天文学の起源は、ティグリス川とユーフラテス川の間の「メソポタミア」に見出すことができます。そこには、古代のシュメール王国、アッシリア王国、バビロニア王国が存在していました。楔形文字として知られる文字体系は、紀元前3500～3000年頃にシュメール人の間で出現しました。シュメール天文学に関する私たちの知識は、紀元前1200年頃に遡る最古のバビロニアの星表を通して間接的に得られています。多くの星の名前がシュメール語で記されているという事実は、初期青銅器時代まで続く連続性を示唆しています。惑星の神々をメソポタミアの神話や宗教において重要な役割を与えた天体神学は、シュメール人から始まりました。彼らはまた、非常に大きな数や非常に小さな数を記録する作業を簡素化する六十進法（基数60）の位取り記数法を使用していました。円を360度に分割したり、1時間を60分に分割したりする現代の慣習は、シュメール人に由来する。詳しくは、バビロニアの数字と数学に関する記事を参照のこと。 

メソポタミアは、世界で知られている最古の天文学者であり詩人であるエンヘドゥアンナの出身地である。彼女はアッカドの月の神ナンナ/シンの最高女司祭であり、サルゴン大王の娘で王女であった（紀元前2334年頃-紀元前2279年頃）。彼女は自分の部屋で月の動きを追跡し、神聖な月についての詩を書いた。^{[ 25 ]}

古典文献では、メソポタミアの天文学者を指すのにカルデア人という用語がよく使われますが、彼らは元々は民族であり、後に占星術やその他の占いに特化した司祭兼書記官と同一視されるようになりました。

天文現象が周期的なものであることを認識し、その予測に数学を応用した最初の証拠はバビロニアに遡ります。古バビロニア時代に遡る粘土板には、太陽年における日照時間の変化に数学を応用した記録が残されています。バビロニアにおける数世紀にわたる天体現象の観測記録は、楔形文字で書かれた一連の粘土板『エヌマ・アヌ・エンリル』に収められています。現存する最古の重要な天文学文書は、『エヌマ・アヌ・エンリル』の63番目の粘土板、アミサドゥカの金星粘土板で、約21年間にわたる金星の最初と最後の出現が記録されており、惑星の現象が周期的なものとして認識されていたことを示す最古の証拠となっています。 MUL.APINには、星や星座のカタログ、ヘリアカルライジングや惑星の沈みを予測する図、水時計で測定した昼の長さ、グノモン、影、閏日などが含まれています。バビロニアのGUテキストでは、星を赤緯円に沿って並ぶ「列」に配置し、それによって赤経や時間間隔を測定し、また、与えられた赤経差で区切られた天頂の星も使用しています。^{[ 26 ] [ 27 ] [ 28 ]}

ナボナッサル王の治世（紀元前747年～733年）には、バビロニアにおける天体観測の質と頻度が著しく向上した。この頃から始まったバビロニアの天文日誌における不吉な現象の体系的な記録によって、例えば18年周期で繰り返される月食の周期が発見された。ギリシャの天文学者プトレマイオスは、最も古い実用的な観測がこの時期に始まったと考え、後にナボナッサル王の治世を紀元開始の基準とした。

バビロニア天文学の発展の最終段階は、セレウコス朝時代（紀元前323年～紀元前60年）に起こりました。紀元前3世紀、天文学者たちは惑星の動きを予測するために「目標年テキスト」を使用し始めました。これらのテキストは、過去の観測記録をまとめ、各惑星について不吉な現象が繰り返し発生することを発見しました。ほぼ同時期、あるいはその直後に、天文学者たちは記録を参照することなくこれらの現象を直接予測できる数学モデルを作成しました。この時代の著名なバビロニアの天文学者の一人に、地動説を支持したセレウキアのセレウコスがいます。

バビロニアの天文学は、ギリシャやヘレニズムの天文学、古典インドの天文学、ササン朝イラン、ビザンツ帝国、シリア、イスラム天文学、中央アジア、西ヨーロッパで行われたことの多くの基礎となった。 ^{[ 26 ]}

インド亜大陸の天文学は、紀元前3千年紀のインダス文明の時代に遡り、当時は暦の作成に用いられていました。 ^{[ 29 ]}インダス文明は文書を残していないため、現存する最古のインドの天文学文献は、ヴェーダ時代に遡るヴェーダンガ・ジョーティシャです。^{[ 30 ]}ヴェーダンガ・ジョーティシャはラガダに帰属し、紀元前1350年頃の年代が内部的に定められており、儀式の目的で太陽と月の動きを追跡するための規則を記述しています。リグ・ヴェーダに属するものとヤジュル・ヴェーダに属するものの2つの版が存在します。ヴェーダンガ・ジョーティシャによれば、ユガまたは「時代」には、5太陽年、67月の恒星周期、1,830日、1,835恒星日、62朔望月があります。 6世紀には、天文学はギリシャとビザンツの天文学の伝統の影響を受けた。^{[ 29 ] [ 31 ] [ 32 ]} 

アーリヤバタ（476～550年）は、彼の代表作であるアーリヤバティーヤ（499年）の中で、地球が自転し、惑星の周期が太陽を基準として与えられる惑星モデルに基づく計算システムを提唱した。彼は、惑星の周期、日食や月食 の時刻、月の瞬間的な動きなど、多くの天文定数を正確に計算した。[ ^{33 ] [ 34 ]アーリヤバタ}のモデルの初期の追随者には、ヴァラーハミヒラ、ブラフマグプタ、バースカラ2世などがいる。

天文学はシュンガ朝時代に発展し、この時代には多くの星表が作成されました。シュンガ朝時代は「インド天文学の黄金時代」として知られています。この時代には、様々な惑星の運動や位置、出没、合、そして日食・月食の計算方法が発展しました。

6世紀までに、インドの天文学者たちは彗星が周期的に再出現する天体であると信じていた。これは6世紀の天文学者ヴァラハミヒラとバドラバーフによって表明された見解である。10世紀の天文学者バットートパラは特定の彗星の名前と推定周期をリストアップしたが、これらの数値がどのように計算されたのか、またその精度はどの程度だったのかは不明である。^{[ 35 ]}

古代ギリシア人は、数学の一分野として扱った天文学を、非常に高度なレベルにまで発展させた。惑星の見かけ上の動きを説明する最初の幾何学的三次元モデルは、紀元前4世紀にクニドスのエウドクソスとキュジコスのカリッポスによって開発された。彼らのモデルは、地球を中心とする同心球の入れ子構造に基づいていた。彼らより若い同時代のヘラクリデス・ポンティクスは、地球が自転していると提唱した。

プラトンやアリストテレスといった自然哲学者たちは、天体現象に対して異なるアプローチをとった。彼らは、数学的な予測モデルを開発することよりも、宇宙の運動の理由を説明することに重きを置いていた。プラトンは『ティマイオス』の中で、宇宙を惑星を運ぶ円に分割された球体であり、世界魂によって調和的な間隔に従って支配されていると説明した。^{[ 36 ]}アリストテレスは、エウドクソスの数学的モデルに基づいて、宇宙は同心円状の球体の複雑なシステムで構成されており、それらの円運動が組み合わさって惑星を地球の周りを回していると提唱した。^{[ 37 ]}この基本的な宇宙論モデルは、さまざまな形で16世紀まで主流であった。

紀元前3世紀、サモスのアリスタルコスは地動説を初めて提唱したが、彼の考えに関する記述は断片的にしか残っていない。^{[ 38 ]： 55-6}エラトステネスは地球の円周を非常に正確に推定した（測地学の歴史も参照）。^{[ 38 ]： 45}

ギリシャの幾何学的天文学は、同心円のモデルから離れて、より複雑なモデルを採用するようになりました。このモデルでは、偏心円が周転円と呼ばれるより小さな円を運び、その周転円が惑星を運ぶとされています。このようなモデルの最初のものはペルガのアポロニウスによるものとされ、紀元前2世紀にはニカイアのヒッパルコスによってさらに発展させられました。ヒッパルコスは他にも多くの貢献をしており、その中には歳差運動の最初の測定や、現代の見かけの等級体系を提案した最初の星表の編纂などがあります。

アンティキティラ島の機械は、太陽や月、そしておそらく惑星の動きを計算するために作られた古代ギリシャの天文観測装置で、紀元前150年～100年頃に作られたと考えられており、天文計算機の最初の祖先と言えるでしょう。この機械は、ギリシャのアンティキティラ島沖（キティラ島とクレタ島の間）の古代の難破船から発見されました。この装置は、16世紀に発明されたと考えられていた差動歯車を使用していること、そして18世紀の時計に匹敵するほど小型で複雑な部品構成で有名になりました。オリジナルの機械は、レプリカとともにアテネ国立考古学博物館の青銅コレクションに展示されています。

歴史家の見解によって異なるが、古典期の物理天文学の頂点あるいは堕落は、エジプトのアレクサンドリア出身のギリシャ・ローマの天文学者プトレマイオスに見られる。彼は、地球中心天文学の古典的な包括的解説書である『メガレ・シンタクシス』（大総合）を著した。これはアラビア語のタイトル『アルマゲスト』としてよく知られており、ルネサンス期まで天文学に永続的な影響を与えた。プトレマイオスは『惑星仮説』の中で宇宙論の領域に踏み込み、4世紀前にサモスのアリスタルコスが提唱したより現実的な宇宙観よりもはるかに小さな宇宙を舞台に、自身の幾何学的体系の物理モデルを構築した。

上エジプトのナブタ・プラヤにある巨石建造物には、天文学、シリウスのヘリアカル・ライジングに合わせた暦の配置、ナイル川の年間洪水の年間暦の調整が特徴的であった。^{[ 41 ]}これらの慣習は、古王国時代のエジプトにおける宇宙論の出現と関連付けられている。^{[ 41 ]}

エジプトのピラミッドの正確な方位は、紀元前3千年紀に達成された天体観測の高度な技術を永続的に証明するものである。ピラミッドは北極星の方向を向いていたことが示されており、歳差運動のため、当時の北極星はドラコ座の暗い星であるトゥバンであった。^{[ 42 ]}カルナックのアメン・ラー神殿の遺跡の評価では、黄道傾斜角の経年変化を考慮に入れ、大神殿が冬至の日の出の方向を向いていたことが示されている。 ^{[ 43 ]}太陽光が通る回廊の長さは、他の時期には照明を制限したであろう。エジプト人はまた、天を移動するジャッカルの頭を持つ神アヌビスであると信じていたシリウス（犬星）の位置も発見した。その位置は彼らの文明にとって極めて重要であり、日の出前に東の空にヘリアカル昇るとナイル川の氾濫を予言した。また、「夏の猛暑日」という表現の語源でもある。^{[ 44 ]}

天文学は、祭りの日程を決めたり、夜の時間を定めたりするなど、宗教的な事柄において重要な役割を果たした。いくつかの神殿の書物の題名には、太陽、月、星の動きや満ち欠けが記録されている。洪水の始まりにおけるシリウス（エジプト語：ソプデト、ギリシャ語：ソティス）の昇りは、年間の暦に定める上で特に重要な点であった。

ローマ時代に執筆したアレクサンドリアのクレメンスは、神聖な儀式における天体観測の重要性について、ある程度の見解を示している。

そして歌い手が占星術師（ὡροσκόπος）を先に進ませると、彼は手に時計（ὡρολόγιον）と掌（φοίνιξ）を持ち、占星術のシンボルを携えている。彼はヘルメス占星術の書を暗記していなければならない。その書は4冊ある。そのうち1冊は見える恒星の配置について、1冊は太陽と月と5つの惑星の位置について、1冊は太陽と月の合と位相について、そして1冊はそれらの昇りについてである。^{[ 45 ]}

占星術師の道具（ホロロギウムとパーム）は、下げ振りと照準器である。これらはベルリン博物館にある2つの銘文入りの物体と同一視されている。1つは下げ振りが吊るされた短い柄、もう1つは幅の広い方の端に照準用のスリットが入ったヤシの枝である。後者は目の近くに持ち、前者はもう一方の手に、おそらく腕を伸ばした状態で持った。クレメントが言及している「ヘルメス主義」の書物はエジプトの神学文書であり、おそらくヘレニズム時代のヘルメス主義とは何の関係もない。^{[ 46 ]}

ラムセス 6世とラムセス 9世の墓の天井にある星表から判断すると、夜の時刻を定めるために、地面に座った人が占星術師の方を向き、北極星の観測線が頭の中央を通るようにしていたようです。1年の各日の各時刻は、その時刻に南中またはほぼ南中する恒星によって決定され、その時刻におけるこれらの星の位置は、中央、左目、右肩などと表に記されています。文献によると、神殿の建立や再建の際にも同じ装置で北軸が決定されており、これは天体観測によく用いられた装置であったと推測できます。熟練した人が用いれば、非常に高い精度で結果が得られたでしょう。

東アジアの天文学は中国で始まった。太陽暦は戦国時代に完成した。中国の天文学の知識は東アジアに伝わった。

中国における天文学の歴史は長い。紀元前6世紀頃から、西洋天文学と望遠鏡が17世紀に導入されるまで、天体観測の詳細な記録が残されていた。中国の天文学者たちは、日食や月食を正確に予測することができた。

古代中国の天文学の多くは、時間計測を目的としていた。中国人は太陰太陽暦を使用していたが、太陽と月の周期が異なるため、天文学者たちはしばしば新しい暦を作成し、その目的のために観測を行った。

占星術による占いは、天文学の重要な一部でもありました。天文学者たちは、恒星の中に突然現れる「客星」（中国語:客星;ピンイン: kèxīng ;文字通り「客星」 ）を注意深く観察しました。彼らは西暦185年に『後漢書』で超新星を初めて記録しました。また、1054年にかに星雲を形成した超新星も、中国の天文学者が観測した「客星」の一例ですが、同時代のヨーロッパの天文学者には記録されていませんでした。超新星や彗星などの現象に関する古代の天文学的記録は、現代の天文学研究にも利用されることがあります。 

世界初の星表は、紀元前4世紀に中国の天文学者、甘徳によって作成された。

マヤの天文写本には、月の満ち欠け、日食の周期、明けの明星と宵の明星としての金星の出現と消失を計算するための詳細な表が含まれています。マヤ人は、プレアデス星団、太陽、月、金星、木星、土星、火星の慎重に計算された周期に基づいて暦を作成し、ドレスデン写本に描かれている日食の正確な記述、黄道または黄道帯、そして天の川は彼らの宇宙論において重要でした。^{[ 47 ]}重要なマヤの建造物の多くは、金星の極端な昇り沈みに合わせて配置されていたと考えられています。古代マヤ人にとって、金星は戦争の守護神であり、記録されている多くの戦いはこの惑星の動きに合わせて行われたと考えられています。火星も保存されている天文写本や初期の神話で言及されています。^{[ 48 ] : 173}

マヤ暦は太陽とは結びついていなかったが、ジョン・ティープルは、マヤ人はグレゴリオ暦よりもいくらか高い精度で太陽年を計算していたと提唱している。^{[ 48 ]： 170}天文学と時間の測定のための複雑な数秘術体系は、マヤ宗教の非常に重要な構成要素であった。

マヤ人は、地球が万物の中心であり、星、月、惑星は神々であると信じていました。彼らは、それらの動きは神々が地球と他の天体の間を移動しているのだと信じていました。マヤ文化の多くの重要な出来事は、特定の神々が現れるという信仰のもと、天体の出来事に合わせて行われました。^{[ 49 ]}

イスラム教下のアラビア世界とペルシャ世界は高度な文化を身につけ、ギリシャ天文学、インド天文学、ペルシャ天文学の多くの重要な知識がアラビア語に翻訳され、その後、その地域の図書館で利用され、保管された。イスラムの天文学者による重要な貢献は、観測天文学を重視したことである。^{[ 50 ]}これにより、9世紀初頭までにイスラム世界に最初の天文台が出現した。^{[ 51 ] [ 52 ]}これらの天文台でジージ星表が作成された。

9 世紀、ペルシャの占星術師アルブマサルは、当時最も偉大な占星術師の 1 人と考えられていました。彼の占星術師養成のための実践的な手引書は、イスラム世界の知的歴史に大きな影響を与え、翻訳を通じて西ヨーロッパやビザンツ帝国にも影響を与えました。10 世紀には、^{[ 53 ]}アルブマサルの「序論」は、中世ヨーロッパの学者にとってアリストテレスの再発見のための最も重要な資料の 1 つです。^{[ 54 ]}アブド アル ラフマン アル スーフィー(アゾフィ) は星の観測を行い、その位置、等級、明るさ、色、そして各星座の図を彼の「恒星の書」に記述しました。彼はまた、現在アンドロメダ銀河として知られる「小さな雲」の最初の記述と図を提供しました。彼はそれをアラビアの星座である大きな魚の口の前にあると述べています。この「雲」は、おそらく西暦905年より前にイスファハンの 天文学者たちに広く知られていたようです。^{[ 55 ]}大マゼラン雲に関する最初の記録もアル・スーフィーによって残されています。^{[ 56 ] [ 57 ]} 1006年、アリ・イブン・リドワンは記録史上最も明るい超新星SN 1006を観測し、一時的な星の詳細な記述を残しました。

10 世紀後半、イランのテヘラン近郊に天文学者アブ・マフムード・アル・フジャンディによって巨大な天文台が建設され、太陽の子午線通過を観測することで、太陽に対する地球の自転軸の傾きを計算することができた。彼は、以前の (インド、そしてギリシャ) 天文学者による測定ではこの角度の値がより高いことがわかったと指摘し、自転軸の傾きが一定ではなく、実際には減少している可能性がある証拠だと考えた。^{[ 58 ] [ 59 ]} 11 世紀のペルシャでは、オマル・ハイヤームが多くの表を作成し、ユリウス暦よりも正確でグレゴリオ暦に近い暦の改革を行った。

イスラム世界の天文学におけるその他の進歩には、過去の天文データの収集と修正、プトレマイオス体系の重大な問題の解決、アルザヘルによる普遍的な緯度に依存しないアストロラーベの開発^{[ 60 ]}、その他多数の天文機器の発明、ジャアファル・ムハンマド・イブン・ムーサー・イブン・シャーキルによる天体と天球は地球と同じ物理法則に従うという信念[ ^{61 ] 、}そして物理的観測と一致する最初の月運動モデルを作成したイブン・アル・シャティールによる経験的検証の導入^{[ 62 ]}などがある。

自然哲学（特にアリストテレス物理学）は、11世紀にイブン・アル＝ハイサム（アルハゼン）、14世紀にイブン・アル＝シャティール^{[ 63 ]} 、 15世紀にクシュジー^{[ 64 ]}によって天文学から分離された。

バースカラ2世（1114年～1185年）は、ブラフマグプタの数学的伝統を受け継ぎ、ウッジャインの天文台の長を務めた。彼は『シッダーンタシロマニ』を著し、これは『ゴラディヤーヤ』（球体）と『グラハガニタ』 （惑星の数学）の2部から構成されている。また、太陽が地球を一周するのにかかる時間を小数点以下9桁まで計算した。当時、仏教大学であるナーランダー大学では、天文学の正式な講座が開講されていた。

インドの他の重要な天文学者には、14世紀から16世紀にかけてケーララ学派の天文学と数学に属していたサンガマグラーマのマダヴァ、ニラカンタ・ソマヤジ、ジェーシュタデーヴァなどがいる。ニラカンタ・ソマヤジは、アーリヤバタの『アーリヤバティーヤ』の注釈書である『アーリヤバティーヤバーシャ』の中で、部分的に太陽中心の惑星モデルのための独自の計算システムを開発した。このモデルでは、水星、金星、火星、木星、土星が太陽の周りを公転し、太陽は地球の周りを公転する。これは、16世紀後半にティコ・ブラーエによって提唱されたティコ・ブラーエのシステムに似ている。しかし、ニラカンタのシステムは、水星と金星の中心と緯度方向の運動の方程式を正しく考慮に入れているため、ティコ・ブラーエのシステムよりも数学的に効率的であった。彼に続いたケーララ学派の天文学者や数学者のほとんどは、彼の惑星モデルを受け入れた。^{[ 33 ] [ 65 ]}

ギリシャの学者たちが天文学の発展に大きく貢献した後、西ヨーロッパではローマ時代から12世紀にかけて天文学は比較的停滞した時代を迎えた。この進歩の欠如から、一部の天文学者は中世の西ヨーロッパの天文学には何も起こらなかったと主張している。^{[ 66 ]} しかし、近年の研究により、4世紀から16世紀にかけての天文学の研究と教育については、より複雑な様相が明らかになっている。^{[ 67 ]}

西ヨーロッパは中世に突入したが、その過程は大陸の知的生産に大きな影響を与えた。古典古代の高度な天文学論文はギリシア語で書かれており、ギリシア語の知識が衰退するにつれ、簡略化された要約や実用的なテキストしか研究に利用できなくなった。この古代の伝統をラテン語で伝えた最も影響力のある著述家は、マクロビウス、プリニウス、マルティアヌス・カペラ、カルキディウスであった。^{[ 68 ]} 6世紀、トゥールのグレゴリウス司教は、マルティアヌス・カペラを読んで天文学を学んだと記し、この初歩的な天文学を用いて、修道士が星を観測することで夜間の祈りの時間を決定する方法を記述した。^{[ 67 ] : 101}

7世紀、イングランドの修道士ジャロウのベデは、影響力のある著作『時間の計算について』を出版し、聖職者にコンプトゥスと呼ばれる手順を用いて復活祭の正確な日付を計算するために必要な実践的な天文学的知識を提供した。この著作は、7世紀から12世紀に大学が台頭した後も、聖職者の教育において重要な要素であり続けた。^{[ 69 ]}

現存する古代ローマの天文学に関する文献の範囲と、ベーダとその弟子たちの教えは、カール大帝が後援した学問の復興期に本格的に研究され始めた。^{[ 67 ] : 131} 9世紀までに、惑星の位置を計算する初歩的な技術が西ヨーロッパで流通していた。中世の学者たちはその欠点を認識していたが、これらの技術を記述した文書は引き続き写本され、惑星の動きとその占星術的な意義への関心を反映していた。^{[ 70 ]}

こうした天文学的背景を踏まえ、10世紀には、オーリヤックのジェルベールなどのヨーロッパの学者たちが、アラビア語圏に存在すると聞いていた学問を求めてスペインやシチリア島へ旅を始めた。そこで彼らは、暦や時刻計測に関する様々な実用的な天文学的手法、中でも特にアストロラーベに関する手法に初めて触れた。間もなく、ライヒェナウのヘルマンなどの学者は、アストロラーベの用途や構造に関するラテン語の文献を執筆し、マルヴェルンのヴァルヒャーなどの学者は、計算表の妥当性を検証するために、アストロラーベを用いて日食の時刻を観測した。^{[ 67 ] : 171}

12 世紀までに、学者たちはより高度な天文学や占星術の文献を求めてスペインやシチリア島へ旅し、アラビア語やギリシャ語からラテン語に翻訳して、西ヨーロッパの天文学の知識をさらに豊かにした。これらの新しい文献の到来は、中世ヨーロッパにおける大学の隆盛と時を同じくしており、それらはすぐに大学に定着した。^{[ 67 ] : 188}大学への天文学の導入を反映して、サクロボスコのヨハネは、影響力のある入門天文学の教科書を複数執筆した。それは、『球面』、『計算』、『四分儀』に関するテキスト、そして『計算』に関する別のテキストである。^{[ 71 ]}

14 世紀、後にリジュー司教となるニコル・オレームは、聖書の記述も地球の運動に反対する物理的な議論も証明力に欠けることを示し、地球が動いていて天は動いていないという理論の単純さの論拠を提示した。しかし彼は、「誰もが、そして私自身も、天が動いていて地は動いていないと主張している。なぜなら、神は動かされることのない世界を創造されたからである」と結論づけた。^{[ 72 ]} 15 世紀、ニコラウス・クザーヌス枢機卿は、いくつかの科学論文の中で、地球は太陽の周りを公転しており、それぞれの星はそれ自体が遠く離れた太陽であると示唆した。

ルネサンス期には、天文学はコペルニクス革命として知られる思想革命を経験し始めました。この名前は、惑星が地球ではなく太陽の周りを公転するという地動説を提唱した天文学者ニコラウス・コペルニクスに由来します。彼の著書『天球回転論』は1543年に出版されました。 ^{[ 73 ]}長期的にはこの主張は非常に物議を醸すものでしたが、当初は小さな論争しか引き起こしませんでした。^{[ 73 ]}この理論は、ガリレオ・ガリレイ、ヨハネス・ケプラー、アイザック・ニュートンをはじめとする多くの人々がこの研究を支持し、改良したため、主流の見解となりました。ティコ・ブラーエのように、全体的な理論を信じていなかったにもかかわらず、有名な観測によってこの新しいモデルを支援した人物もいました。^{[ 74 ]}

デンマークの貴族であるブラーエは、この時代の重要な天文学者でした。^{[ 74 ]}彼は『De nova s​​tella』の出版で天文学界に登場し、その中で超新星SN 1572に関する従来の通説を否定しました。 ^{[ 74 ]}（ピーク時には金星と同じくらい明るかったSN 1572は、後に肉眼では見えなくなり、天体の不変性に関するアリストテレスの教義を否定しました。） ^{[ 75 ] [ 76 ]}彼はまた、太陽、月、星は地球の周りを公転し、他の5つの惑星は太陽の周りを公転するというティコ・ブラーエの体系を創り出しました。この体系は、コペルニクス体系の数学的な利点とプトレマイオス体系の「物理的な利点」を融合させたものです。 ^{[ 77 ]}これは、人々が地動説を受け入れず、プトレマイオス体系も受け入れられなくなったときに信じていた体系の1つでした。^{[ 77 ]}彼は星や惑星の非常に正確な観測で最もよく知られています。後に彼はプラハに移り、研究を続けました。プラハでは、彼の死後まで完成しなかったルドルフ表に取り組んでいました。 ^{[ 78 ]}ルドルフ表は、1300 年代に作成されたアルフォンソ表や不正確なプルテニック表よりも正確になるように設計された星図でした。 ^{[ 78 ]}この時、彼は助手ヨハネス・ケプラーの助けを受けており、ケプラーは後に彼の観測を利用してブラーエの著作を完成させ、また自身の理論にも利用しました。^{[ 78 ]}

ブラーエの死後、ケプラーは後継者とみなされ、ルドルフの表などブラーエの未完成の著作を完成させる仕事を任された。^{[ 78 ]}彼は1624年にルドルフの表を完成させたが、出版されるまでには数年を要した。^{[ 78 ]}この時代の他の多くの人物と同様に、彼も三十年戦争のような宗教的および政治的な問題に巻き込まれ、その結果、彼の著作の一部がほぼ失われるほどの混乱に陥った。しかし、ケプラーは想定される物理的原因から天体の運動の数学的予測を導き出そうとした最初の人物であった。彼は現在彼の名が冠されている惑星運動の3つのケプラーの法則を発見した。その法則は以下のとおりである。

1. 惑星の軌道は楕円であり、太陽はその2つの焦点のうちの1つに位置する。
2. 惑星と太陽を結ぶ線分は、等しい時間間隔で等しい面積を掃過する。
3. 惑星の公転周期の二乗は、その軌道の長半径の三乗に比例する。^{[ 79 ]}

これらの法則によって、彼は既存の地動説モデルを改良することに成功した。最初の2つの法則は1609年に発表された。ケプラーの貢献はシステム全体を改良し、事象を適切に説明し、より信頼性の高い予測を可能にすることで、その信頼性を高めた。それ以前は、コペルニクスモデルはプトレマイオスモデルと同様に信頼性に欠けていた。この改良は、ケプラーが軌道が完全な円ではなく楕円であることに気づいたことによって実現した。

1608年の望遠鏡の発明は天文学の研究に革命をもたらした。ガリレオ・ガリレイは、 20倍屈折望遠鏡を製作した後、望遠鏡を使って空を観測した最初の人物の一人だった。^{[ 80 ] [ 81 ]}彼は1610年に木星の4つの最大の衛星を発見し、それらは現在、彼の功績を称えてガリレオ衛星として知られている。 ^{[ 82 ]}この発見は、他の惑星を周回する衛星の観測として知られている最初のものだった。^{[ 82 ]}彼はまた、月にはクレーターがあることを発見し、太陽黒点を観測して正しく説明し、金星が月の満ち欠けに似た一連の満ち欠けを示すことを発見した。^{[ 83 ]}ガリレオは、これらの事実はプトレマイオスモデルとの矛盾を示しており、プトレマイオスモデルではこの現象を説明できず、むしろ矛盾すると主張した。^{[ 83 ]}木星の衛星によって、彼は地球の周りをすべての天体が公転する必要はないこと、そして地球が太陽の周りを公転するように、他の天体が別の惑星の周りを公転できることを示した。^{[ 82 ]}プトレマイオス体系では、天体は完全であるとされていたため、そのような天体にはクレーターや黒点があってはならないとされていた。^{[ 84 ]}金星の満ち欠けは、金星が太陽の周りを公転している場合にのみ起こり得るが、プトレマイオス体系ではそのようなことは起こらなかった。最も有名な例として、彼は教会の役人、より具体的にはローマ異端審問所からの挑戦に直面しなければならなかった。^{[ 85 ]}これらの信念はローマカトリック教会の教えに反し、カトリック教会が最も弱体化していたときにその権威に挑戦していたため、彼らは彼を異端として告発した。^{[ 85 ]}彼はしばらくの間は処罰を免れた​​ものの、最終的には裁判にかけられ、1633年に異端の罪で有罪を認めた。^{[ 85 ]}多少の犠牲は伴ったものの、彼の著書は発禁処分となり、1642年に亡くなるまで自宅軟禁下に置かれた。^{[ 86 ]}

アイザック・ニュートン卿は、万有引力の法則を通して物理学と天文学の結びつきをさらに深めました。地球の表面に物体を引きつける力と同じ力が、月を地球の周回軌道に保持していることに気づいたニュートンは、既知のすべての重力現象を一つの理論的枠組みで説明することができました。彼は著書『自然哲学の数学的原理』の中で、第一原理からケプラーの法則を導き出しました。その第一原理は以下の通りです。

1. 慣性系においては、物体は外力が作用しない限り、静止状態を維持するか、一定の速度で運動を続ける。
2. 慣性系においては、物体に作用する力のベクトル和Fは、その物体の質量mに加速度aを乗じたものに等しい。すなわち、F = maとなる。（ここでは質量mは一定であると仮定する。）
3. ある物体が別の物体に力を及ぼすと、同時にその別の物体は、最初の物体に大きさが等しく方向が逆の力を及ぼす。^{[ 87 ]}

このように、ケプラーは惑星の運動の仕組みを説明したが、ニュートンは惑星がなぜそのような動きをするのかを正確に説明することに成功した。ニュートンの理論的発展は、現代物理学の多くの基礎を築いた。

イングランド以外では、ニュートンの理論が定着するまでにはしばらく時間がかかった。フランスではルネ・デカルトの渦理論が主流であり、クリスティアーン・ホイヘンス、ゴットフリート・ヴィルヘルム・ライプニッツ、ジャック・カッシーニはニュートンの体系の一部のみを受け入れ、独自の哲学を好んだ。ヴォルテールは1738年に一般向けの解説書を出版した。 ^{[ 88 ]} 1748年、フランス科学アカデミーは木星と土星の摂動の問題を解決した者に賞を与え、最終的にオイラーとラグランジュがそれを成し遂げた。ラプラスは1798年から1825年にかけて発表し、惑星の理論を完成させた。太陽星雲モデルによる惑星形成の初期の起源が始まった。

エドモンド・ハレーはジョン・フラムスティードの後任としてイギリスの王室天文官となり、 1758年に彼の名にちなんだ彗星の回帰を予測することに成功した。ウィリアム・ハーシェルは1781年に近代で初めて観測された新惑星、天王星を発見した。 ^{[ 89 ]}

当初、アメリカにおける天文学的思考はアリストテレス哲学に基づいていたが^{[ 90 ]}、新しい天文学への関心は早くも1659年には暦書に現れ始めた^{[ 91 ]。}ティティウス＝ボーデの法則によって明らかになった火星と木星の間のギャップは、 1801年と1802年に小惑星ケレスとパラスが発見されたことで埋められ、その後も多くの小惑星が発見された。

宇宙多元説とは、星々は遠く離れた太陽であり、おそらく独自の惑星系を持っているという考え方のことである。この方向の考えは、古代にはアナクサゴラスやサモスのアリスタルコスによって表現されていたが、主流には受け入れられなかった。星々が遠く離れた太陽であると最初に示唆したヨーロッパ・ルネサンスの天文学者は、ジョルダーノ・ブルーノで、彼の著書『無限の宇宙と世界について』（1584年）の中でこの考えを述べた。この考えは、異端審問で彼に対して提起された告発の一つであった。ガリレオ・ガリレイによる望遠鏡観測は、天の川が個々の星の大きな集まりであることを示した。 ^{[ 92 ]}多くの星という考え方は、特にベルナール・ル・ボヴィエ・ド・フォントネルの『世界の多元性についての対話』 （1686年）の出版後、17世紀後半に主流となり、18世紀初頭には恒星天文学におけるデフォルトの作業仮説となった。

イタリアの天文学者ジェミニアーノ・モンタナリは、 1667年にアルゴル星の光度の変動を観測したことを記録した。エドモンド・ハレーは、近くにある一対の「固定」星の固有運動の最初の測定結果を発表し、古代ギリシャの天文学者プトレマイオスとヒッパルコスの時代から位置が変わっていることを示した。ウィリアム・ハーシェルは、空の星の分布を決定しようとした最初の天文学者であった。1780年代に、彼は600の方向に一連のゲージを設置し、各視線に沿って観測された星の数を数えた。このことから、星の数は天の川銀河の中心方向、つまり空の一方の側に向かって着実に増加していると推測した。彼の息子ジョン・ハーシェルは、南半球でこの研究を繰り返し、同じ方向で対応する増加を発見した。^{[ 93 ]}ウィリアム・ハーシェルは、他の業績に加えて、いくつかの星は単に同じ視線に沿っているだけでなく、連星系を形成する物理的な伴星であることを発見したことでも知られている。^{[ 94 ]}

写真が発明される以前は、天体データの記録は人間の目によって制限されていました。1840年、化学者のジョン・W・ドレーパーは、知られている限り最古の月の天体写真を撮影しました。そして19世紀後半には、惑星、恒星、銀河の画像が写った写真乾板が何千枚も作成されました。ほとんどの写真は人間の目よりも量子効率（つまり、入射光子を捉える量）が低かったものの、長い露光時間（人間の目は100ミリ秒、写真は数時間）という利点がありました。これにより、天文学者が利用できるデータが大幅に増加し、その結果、ハーバード大学のコンピューターをはじめとする人間のコンピューターが登場し、データの追跡と分析が行われるようになりました。

科学者たちは、肉眼では見えない光の形態、すなわちX線、ガンマ線、電波、マイクロ波、紫外線、赤外線を発見し始めた。これは天文学に大きな影響を与え、赤外線天文学、電波天文学、X線天文学、そして最終的にはガンマ線天文学という分野を生み出した。分光法の登場により、他の恒星は太陽と似ているものの、温度、質量、大きさは様々であることが証明された。

恒星分光法の科学は、ジョセフ・フォン・フラウンホーファーとアンジェロ・セッキによって開拓されました。彼らはシリウスなどの星のスペクトルを太陽と比較することで、吸収線（大気による特定の周波数の吸収によって生じる恒星スペクトルの暗線）の強度と数の違いを発見しました。1865年、セッキは星をスペクトル型に分類し始めました。^{[ 95 ]}ヘリウムの最初の証拠は、1868年8月18日に太陽の彩層のスペクトルで波長587.49ナノメートルの明るい黄色のスペクトル線として観測されました。この線は、インドのグントゥールでの皆既日食中にフランスの天文学者ジュール・ジャンセンによって検出されました。

恒星までの距離を初めて直接測定したのは、 1838年にフリードリヒ・ベッセルが視差法を用いて行った（恒星は61 Cygniで11.4光年） 。視差測定により、天球上の恒星間の距離が非常に大きいことが明らかになった。19世紀には、連星の観測の重要性が高まった。1834年、フリードリヒ・ベッセルは恒星シリウスの固有運動の変化を観測し、隠れた伴星の存在を推測した。エドワード・ピッカリングは1899年、恒星ミザールのスペクトル線が104日周期で周期的に分裂するのを観測し、最初の分光連星を発見した。フリードリヒ・ゲオルク・ヴィルヘルム・フォン・シュトルーヴェやS・W・バーナムなどの天文学者によって多くの連星系の詳細な観測データが収集され、軌道要素の計算から恒星の質量を決定できるようになった。望遠鏡の観測から連星の軌道を導き出すという問題に対する最初の解決策は、1827年にフェリックス・サヴァリーによってなされた。^{[ 96 ]} 1847年には、マリア・ミッチェルが望遠鏡を使って彗星を発見した。

天文学データの大規模な蓄積に伴い、ハーバード・コンピューターズのようなチームが台頭し、それまで男性天文学者の助手として扱われていた多くの女性天文学者がこの分野で認められるようになった。米国海軍天文台（USNO）やその他の天文学研究機関は、科学者がより背景知識を必要とする研究を行っている間、退屈な計算を行う人間の「コンピューター」を雇った。 ^{[ 97 ]}この時期の多くの発見は、もともと女性の「コンピューター」によって記録され、上司に報告された。ヘンリエッタ・スワン・リービットは、ケフェイド変光星の周期と光度の関係を発見し、それをさらに発展させて太陽系外の距離を測定する方法にした。

ハーバード大学のコンピュータ部門のベテランであるアニー・J・キャノンは、1900年代初頭に恒星分類体系の現代版（OBAFGKM、色と温度に基づく）を開発し、生涯で他の誰よりも多くの星（約35万個）を手動で分類した。^{[ 98 ] [ 99 ]} 20世紀には、星の科学的研究が急速に進歩した。 カール・シュヴァルツシルトは、星の色、ひいてはその温度は、視覚等級と写真等級を比較することで決定できることを発見した。光電測光器の開発により、複数の波長間隔で等級を正確に測定することが可能になった。1921年、アルバート・A・マイケルソンは、マウント・ウィルソン天文台のフッカー望遠鏡の干渉計を使用して、恒星の直径を初めて測定した。^{[ 100 ]}

20世紀初頭の数十年間には、恒星の物理構造に関する重要な理論的研究が行われました。1913年にはヘルツシュプルング＝ラッセル図が開発され、恒星の天体物理学的研究が進展しました。 1906年、ポツダムでデンマークの天文学者エイナル・ヘルツシュプルングは、恒星の色と光度の関係を示す最初の図を発表しました。これらの図は、彼が主系列と名付けた、顕著で連続的な恒星の系列を示していました。プリンストン大学のヘンリー・ノリス・ラッセルは、これらの恒星のスペクトル型を絶対等級に対してプロットし、矮星が独特の関係に従うことを発見しました。これにより、矮星の実際の明るさをかなり正確に予測することが可能になりました。恒星の内部構造と恒星進化を説明するために、成功したモデルが開発されました。セシリア・ペイン＝ギャポシュキンは、 1925年の博士論文で、恒星は主に水素とヘリウムでできていると初めて提唱しました。^{[ 101 ]}量子物理学の進歩により、星のスペクトルがさらに理解されるようになった。これにより、恒星大気の化学組成を決定できるようになった。^{[ 102 ]} 1930年代に星の進化モデルが開発されるにつれて、ベングト・ストロムグレンは、光度とスペクトルのクラスを示すためにヘルツシュプルング・ラッセル図という用語を導入した。恒星分類の改良されたスキームは、1943年にウィリアム・ウィルソン・モーガンとフィリップ・チャイルズ・キーナンによって発表された。

地球の故郷である天の川銀河が独立した星の集団として存在することが証明されたのは20世紀になってからであり、他の銀河が存在し、そのほとんどが互いに遠ざかっているという知識も同様である。1920年代のハーロー・シャプレーとヘバー・カーティスの「大論争」は、天の川銀河の性質、渦巻星雲、宇宙の大きさに関するものであった。^{[ 103 ]}

量子物理学の出現に伴い、分光法はさらに改良された。

太陽は100億個以上の星からなる銀河の一部であることが判明した^。他の銀河の存在は、長年の大きな論争の一つであったが、エドウィン・ハッブルによって決着がつけられた。彼はアンドロメダ星雲を別の銀河であると特定し、さらに遠く離れた場所にあり、我々の銀河から遠ざかっている多くの銀河も発見した。

天文学と密接に関連する物理宇宙論は、20世紀に大きな進歩を遂げ、非常に遠方の銀河や電波源の赤方偏移、宇宙マイクロ波背景放射、ハッブルの法則、宇宙論的な元素存在量など、天文学や物理学によって提供された証拠によって、高温ビッグバンモデルが強力に支持されるようになった。