История астрономии фокусируется на вкладе цивилизаций в дальнейшее понимание вселенной за пределами земной атмосферы. [1] Астрономия является одной из древнейших естественных наук , достигшей высокого уровня успеха во второй половине первого тысячелетия. Астрономия берет свое начало в религиозных , мифологических , космологических , календарных и астрологических верованиях и практиках доисторических времен. Ранние астрономические записи относятся к вавилонянам около 1000 г. до н. э. Также имеются астрономические свидетельства интереса со стороны ранних китайских, центральноамериканских и североевропейских культур. [2]
Астрономия использовалась ранними культурами по разным причинам. К ним относятся хронометраж, навигация , духовные и религиозные практики и сельскохозяйственное планирование. Древние астрономы использовали свои наблюдения для составления карт неба в попытке узнать о работе вселенной. В эпоху Возрождения появились революционные идеи об астрономии. Одна из таких идей была предложена в 1593 году польским астрономом Николаем Коперником , который разработал гелиоцентрическую модель, изображавшую планеты, вращающиеся вокруг Солнца. Это было началом коперниканской революции . [3]
Успех астрономии по сравнению с другими науками был достигнут по нескольким причинам. Астрономия была первой наукой, которая имела математическую основу и сложные процедуры, такие как использование армиллярных сфер и квадрантов. Это обеспечило прочную базу для сбора и проверки данных. [4] [5] На протяжении многих лет астрономия расширилась на множество подотраслей, таких как астрофизика , наблюдательная астрономия , теоретическая астрономия и астробиология . [6]
Ранние культуры отождествляли небесные объекты с богами и духами. [7] Они связывали эти объекты (и их движения) с такими явлениями, как дождь , засуха , времена года и приливы . Обычно считается, что первые астрономы были жрецами , и что они понимали небесные объекты и события как проявления божественного , отсюда связь ранней астрономии с тем, что сейчас называется астрологией . 32 500-летний резной бивень мамонта из слоновой кости может содержать самую старую известную карту звездного неба (напоминающую созвездие Ориона ). [8] Также было высказано предположение, что рисунки на стене пещер Ласко во Франции, датируемые 33 000–10 000 лет назад, могут быть графическим изображением Плеяд , Летнего треугольника и Северной короны . [9] [10] Древние сооружения, возможно, ориентированные на астрономию (например, Стоунхендж ), вероятно, выполняли астрономические, религиозные и социальные функции .
Календари мира часто составлялись на основе наблюдений за Солнцем и Луной (отмечая день , месяц и год ) и были важны для сельскохозяйственных обществ, в которых урожай зависел от посадки в правильное время года, и для которых почти полная луна была единственным источником освещения для ночных поездок на городские рынки. [11]
Современный календарь основан на римском календаре . Хотя изначально это был лунный календарь , он нарушил традиционную связь месяца с фазами Луны и разделил год на двенадцать почти равных месяцев, которые в основном чередовались между тридцатью и тридцатью одним днем. Юлий Цезарь инициировал календарную реформу в 46 г. до н. э. и ввел то, что сейчас называется юлианским календарем , основанным на длине года в 365 1⁄4 дней, первоначально предложенной греческим астрономом Каллиппом в 4 в. до н . э .
Древние астрономические артефакты были найдены по всей Европе . Артефакты показывают, что европейцы неолита и бронзового века обладали глубокими познаниями в математике и астрономии.
Среди открытий:
Истоки астрономии можно найти в Месопотамии , «земле между реками» Тигром и Евфратом , где располагались древние царства Шумер , Ассирия и Вавилония . Форма письма, известная как клинопись, появилась среди шумеров около 3500–3000 гг. до н. э. Наши знания о шумерской астрономии косвенные, через самые ранние вавилонские звездные каталоги, датируемые примерно 1200 г. до н. э. Тот факт, что многие названия звезд появляются на шумерском языке, предполагает преемственность, уходящую в ранний бронзовый век. Астральная теология , которая отвела планетарным богам важную роль в месопотамской мифологии и религии , началась с шумеров . Они также использовали шестидесятеричную (основание 60) систему счисления с позиционными значениями, что упрощало задачу записи очень больших и очень маленьких чисел. Современная практика деления круга на 360 градусов или часа на 60 минут началась с шумеров. Более подробную информацию можно найти в статьях о вавилонских цифрах и математике .
В классических источниках термин «халдеи» часто используется для обозначения астрономов Месопотамии, которые на самом деле были жрецами-писцами, специализировавшимися на астрологии и других формах гадания .
Первое свидетельство признания того, что астрономические явления являются периодическими, и применения математики для их предсказания относится к Вавилону. Таблички, датируемые старовавилонским периодом, документируют применение математики к изменению продолжительности светового дня в течение солнечного года. Столетия вавилонских наблюдений небесных явлений записаны в серии клинописных табличек, известных как Enūma Anu Enlil . Самый древний значительный астрономический текст, которым мы располагаем, — это Табличка 63 из Enūma Anu Enlil , табличка Венеры Амми-садуки , в которой перечислены первые и последние видимые восходы Венеры за период около 21 года, и это самое раннее свидетельство того, что явления планеты были признаны периодическими. MUL.APIN содержит каталоги звезд и созвездий, а также схемы для предсказания гелиакических восходов и заходов планет, продолжительности светового дня, измеренной водяными часами , гномоном , тенями и интеркаляциями . Вавилонский текст GU располагает звезды в «цепочки», которые лежат вдоль кругов склонения и таким образом измеряют прямые восхождения или временные интервалы, а также использует звезды зенита, которые также разделены заданными разностями прямых восхождений. [26]
Значительное повышение качества и частоты вавилонских наблюдений произошло во время правления Набонассара (747–733 гг. до н. э.). Систематические записи зловещих явлений в вавилонских астрономических дневниках , которые начались в это время, позволили, например, открыть повторяющийся 18-летний цикл лунных затмений . Греческий астроном Птолемей позже использовал правление Набонассара для фиксации начала эры, поскольку он считал, что самые ранние пригодные для использования наблюдения начались в это время.
Последние этапы развития вавилонской астрономии пришлись на время империи Селевкидов (323–60 гг. до н. э.). В 3 веке до н. э. астрономы начали использовать «тексты годовых целей» для предсказания движения планет. Эти тексты собирали записи прошлых наблюдений, чтобы найти повторяющиеся появления зловещих явлений для каждой планеты. Примерно в то же время или вскоре после этого астрономы создали математические модели, которые позволяли им предсказывать эти явления напрямую, без обращения к записям. Известным вавилонским астрономом того времени был Селевк из Селевкии , который был сторонником гелиоцентрической модели .
Вавилонская астрономия была основой для многого из того, что было сделано в греческой и эллинистической астрономии , в классической индийской астрономии , в Сасанидском Иране, в Византии, в Сирии, в исламской астрономии , в Средней Азии и в Западной Европе. [27]
Астрономия на индийском субконтиненте восходит к периоду цивилизации долины Инда в 3-м тысячелетии до н. э., когда она использовалась для создания календарей. [28] Поскольку цивилизация долины Инда не оставила после себя письменных документов, старейшим сохранившимся индийским астрономическим текстом является Веданга Джйотиша , датируемая ведическим периодом . [29] Веданга Джйотиша приписывается Лагадхе и имеет внутреннюю дату приблизительно 1350 г. до н. э. и описывает правила отслеживания движений Солнца и Луны для целей ритуала. Он доступен в двух редакциях, одна из которых принадлежит Ригведе, а другая — Яджурведе. Согласно Веданга Джйотише, в юге или «эре» есть 5 солнечных лет, 67 лунных сидерических циклов, 1830 дней, 1835 сидерических дней и 62 синодических месяца. В VI веке астрономия находилась под влиянием греческих и византийских астрономических традиций. [28] [30] [31]
Арьябхата (476–550) в своем главном произведении «Арьябхатия» (499) предложил вычислительную систему, основанную на планетарной модели, в которой Земля считалась вращающейся вокруг своей оси , а периоды планет были даны относительно Солнца. Он точно вычислил многие астрономические константы, такие как периоды планет, время солнечных и лунных затмений и мгновенное движение Луны. [32] [33] [ нужна страница ] Ранними последователями модели Арьябхаты были Варахамихира , Брахмагупта и Бхаскара II .
Астрономия была развита во времена империи Шунга , и в это время было создано множество звездных каталогов . Период Шунга известен [ по мнению кого? ] как «Золотой век астрономии в Индии». В этот период развивались расчеты движения и положения различных планет, их восходов и заходов, соединений и расчет затмений.
Индийские астрономы к 6 веку считали, что кометы — это небесные тела, которые периодически появляются. Это мнение было высказано в 6 веке астрономами Варахамихирой и Бхадрабаху, а астроном 10 века Бхаттотпала перечислил названия и предполагаемые периоды некоторых комет, но, к сожалению, неизвестно, как эти цифры были рассчитаны или насколько точными они были. [34]
Древние греки развили астрономию, которую они считали разделом математики, до весьма сложного уровня. Первые геометрические трехмерные модели для объяснения видимого движения планет были разработаны в IV веке до н. э. Евдоксом Книдским и Каллиппом Кизикским . Их модели основывались на вложенных гомоцентрических сферах с центром на Земле. Их младший современник Гераклид Понтийский предположил, что Земля вращается вокруг своей оси.
Другой подход к небесным явлениям был принят натурфилософами, такими как Платон и Аристотель . Они были меньше озабочены разработкой математических предсказательных моделей, чем разработкой объяснения причин движений Космоса. В своем «Тимее» Платон описал вселенную как сферическое тело, разделенное на окружности, несущее планеты и управляемое в соответствии с гармоническими интервалами мировой душой . [35] Аристотель, опираясь на математическую модель Евдокса, предположил, что вселенная состоит из сложной системы концентрических сфер , круговые движения которых объединялись, чтобы переносить планеты вокруг Земли. [36] Эта базовая космологическая модель преобладала в различных формах до XVI века.
В III веке до н. э. Аристарх Самосский был первым, кто предложил гелиоцентрическую систему, хотя сохранились лишь фрагментарные описания его идеи. [37] Эратосфен оценил окружность Земли с большой точностью (см. также: история геодезии ). [38]
Греческая геометрическая астрономия развивалась от модели концентрических сфер к использованию более сложных моделей, в которых эксцентрический круг вращался бы вокруг меньшего круга, называемого эпициклом , который в свою очередь вращался бы вокруг планеты. Первая такая модель приписывается Аполлонию Пергскому , а дальнейшие разработки в ней были выполнены во II веке до н. э. Гиппархом Никейским . Гиппарх внес ряд других вкладов, включая первое измерение прецессии и составление первого звездного каталога, в котором он предложил нашу современную систему видимых величин .
Механизм Антикитеры , древнегреческий астрономический наблюдательный прибор для расчета движений Солнца и Луны, возможно, планет, датируется примерно 150–100 гг. до н. э. и был первым предком астрономического компьютера . Он был обнаружен в древнем кораблекрушении у греческого острова Антикитера , между Киферой и Критом . Устройство стало известным благодаря использованию дифференциальной передачи , которая, как ранее считалось, была изобретена в 16 веке, а также миниатюризации и сложности его деталей, сравнимых с часами, изготовленными в 18 веке. Оригинальный механизм выставлен в Бронзовой коллекции Национального археологического музея Афин , вместе с копией.
В зависимости от точки зрения историка, вершина или коррупция [ необходима цитата ] [ сомнительна – обсудить ] классической физической астрономии видится в Птолемее , греко-римском астрономе из Александрии Египетской, который написал классическое всеобъемлющее изложение геоцентрической астрономии, Megale Syntaxis (Великий синтез), более известное под своим арабским названием Almagest , которое имело длительное влияние на астрономию вплоть до эпохи Возрождения . В своих планетарных гипотезах Птолемей отважился в область космологии, разработав физическую модель своей геометрической системы во вселенной, во много раз меньшей, чем более реалистичная концепция Аристарха Самосского четырьмя столетиями ранее.
Точная ориентация египетских пирамид дает прочную демонстрацию высокой степени технического мастерства в наблюдении за небесами, достигнутого в 3-м тысячелетии до н. э. Было показано, что пирамиды были ориентированы на Полярную звезду , которая из-за прецессии равноденствий была в то время Тубаном , слабой звездой в созвездии Дракона . [39] Оценка местоположения храма Амона-Ра в Карнаке , принимая во внимание изменение со временем наклона эклиптики , показала, что Великий храм был ориентирован на восход Солнца в середине зимы. [40] Длина коридора, по которому проходил солнечный свет, имела бы ограниченное освещение в другое время года. Египтяне также обнаружили положение Сириуса (звезды собаки), который, как они считали, был Анубисом, их богом с головой шакала, движущимся по небесам. Его положение имело решающее значение для их цивилизации, поскольку, когда он поднимался гелиакально на востоке перед восходом солнца, он предсказывал разлив Нила. Это также является источником фразы «собачьи дни лета». [41]
Астрономия играла значительную роль в религиозных вопросах для установления дат праздников и определения часов ночи . Сохранились заголовки нескольких храмовых книг, записывающих движения и фазы Солнца , Луны и звезд . Восход Сириуса ( египетский : Сопдет, греческий : Сотис) в начале наводнения был особенно важным моментом для фиксации в годовом календаре.
Климент Александрийский, писавший в римскую эпоху , дает некоторое представление о важности астрономических наблюдений для священных обрядов:
И после Певца выступает Астролог (ὡροσκόπος) с часами (ὡρολόγιον) в руке и ладонью (φοίνιξ) — символами астрологии . Он должен знать наизусть Герметические астрологические книги, которых четыре. Из них одна о расположении неподвижных видимых звезд; одна о положениях Солнца и Луны и пяти планет; одна о соединениях и фазах Солнца и Луны; и одна касается их восходов. [42]
Инструменты Астролога ( часы и ладонь ) — это отвес и визирный инструмент [ требуется разъяснение ] . Они были идентифицированы с двумя надписанными предметами в Берлинском музее : короткой ручкой, на которой подвешивался отвес, и пальмовой ветвью с прорезью для прицела на более широком конце. Последняя держалась близко к глазу, первая — в другой руке, возможно, на расстоянии вытянутой руки. «Герметические» книги, на которые ссылается Климент, — это египетские теологические тексты, которые, вероятно, не имеют ничего общего с эллинистическим герметизмом . [43]
Из таблиц звезд на потолке гробниц Рамсеса VI и Рамсеса IX следует, что для определения часов ночи человек, сидящий на земле, вставал лицом к астрологу в таком положении, что линия наблюдения полярной звезды проходила над серединой его головы. В разные дни года каждый час определялся неподвижной звездой, достигающей или почти достигающей кульминации в нем, и положение этих звезд в это время указано в таблицах как в центре, на левом глазу, на правом плече и т. д. Согласно текстам, при основании или перестройке храмов северная ось определялась тем же аппаратом, и мы можем заключить, что это был обычный аппарат для астрономических наблюдений. В осторожных руках он мог давать результаты высокой степени точности.
Астрономия Восточной Азии началась в Китае . Солнечный термин был завершен в период Воюющих царств . Знания китайской астрономии были привнесены в Восточную Азию.
Астрономия в Китае имеет долгую историю. Подробные записи астрономических наблюдений велись примерно с 6 века до нашей эры, до появления западной астрономии и телескопа в 17 веке. Китайские астрономы умели точно предсказывать затмения.
Большая часть ранней китайской астрономии была направлена на хронометрирование. Китайцы использовали лунно-солнечный календарь, но поскольку циклы Солнца и Луны различаются, астрономы часто составляли новые календари и проводили наблюдения для этой цели.
Астрологическое гадание также было важной частью астрономии. Астрономы внимательно следили за «звездами-гостями» ( китайский :客星; пиньинь : kèxīng ; букв. «звезда-гость»), которые внезапно появлялись среди неподвижных звезд . Они были первыми, кто записал сверхновую в Астрологических анналах Хоуханьшу в 185 году нашей эры. Кроме того, сверхновая, которая создала Крабовидную туманность в 1054 году, является примером «звезды-гостя», наблюдавшейся китайскими астрономами, хотя она не была зарегистрирована их европейскими современниками. Древние астрономические записи таких явлений, как сверхновые и кометы, иногда используются в современных астрономических исследованиях.
Первый в мире звездный каталог был составлен китайским астрономом Ган Де в IV веке до нашей эры.
Астрономические кодексы майя включают подробные таблицы для расчета фаз Луны , повторяемости затмений, а также появления и исчезновения Венеры как утренней и вечерней звезды . Майя основывали свои календари на тщательно рассчитанных циклах Плеяд , Солнца , Луны , Венеры , Юпитера , Сатурна , Марса , а также у них было точное описание затмений, изображенных в Дрезденском кодексе , а также эклиптики или зодиака, и Млечный Путь имел решающее значение в их космологии. [44] Считается, что ряд важных сооружений майя были ориентированы на крайние восходы и заходы Венеры. Для древних майя Венера была покровительницей войны, и многие записанные сражения, как полагают, были приурочены к движениям этой планеты. Марс также упоминается в сохранившихся астрономических кодексах и ранней мифологии . [45]
Хотя календарь майя не был привязан к Солнцу, Джон Типл предположил, что майя вычисляли солнечный год с несколько большей точностью, чем григорианский календарь . [46] И астрономия, и сложная нумерологическая схема измерения времени были жизненно важными компонентами религии майя .
Майя верили, что Земля была центром всего сущего, а звезды, луны и планеты были богами. Они верили, что их движения были богами, путешествующими между Землей и другими небесными местами назначения. Многие ключевые события в культуре майя были приурочены к небесным событиям, в вере в присутствие определенных богов. [47]
Арабский и персидский мир под властью ислама стали высококультурными, и многие важные труды по греческой астрономии , индийской астрономии и персидской астрономии были переведены на арабский язык, использовались и хранились в библиотеках по всему региону. Важным вкладом исламских астрономов был их акцент на наблюдательной астрономии . [48] Это привело к появлению первых астрономических обсерваторий в мусульманском мире к началу IX века. [49] [50] В этих обсерваториях были созданы звездные каталоги Зидж .
В IX веке персидский астролог Альбумасар считался одним из величайших астрологов того времени. Его практические руководства по обучению астрологов оказали глубокое влияние на мусульманскую интеллектуальную историю и, через переводы, на историю Западной Европы и Византии. В X веке [51] «Введение» Альбумасара было одним из важнейших источников для восстановления Аристотеля для средневековых европейских ученых. [52] Абд ар-Рахман ас-Суфи (Азофи) проводил наблюдения за звездами и описывал их положения, величины , яркость и цвет , а также рисунки для каждого созвездия в своей Книге неподвижных звезд . Он также дал первые описания и изображения «Маленького облака», теперь известного как галактика Андромеды . Он упоминает его как лежащее перед устьем Большой Рыбы, арабского созвездия . Это «облако», по-видимому, было общеизвестно исфаханским астрономам, весьма вероятно, до 905 года нашей эры. [53] Первое зарегистрированное упоминание о Большом Магеллановом Облаке также было дано ас-Суфи. [54] [55] В 1006 году Али ибн Ридван наблюдал SN 1006 , самую яркую сверхновую в зарегистрированной истории, и оставил подробное описание этой временной звезды.
В конце X века астроном Абу-Махмуд аль-Худжанди построил огромную обсерваторию недалеко от Тегерана , Иран , который наблюдал серию меридиональных транзитов Солнца, что позволило ему вычислить наклон земной оси относительно Солнца. Он отметил, что измерения более ранних (индийских, затем греческих) астрономов показали более высокие значения этого угла, что является возможным доказательством того, что осевой наклон не является постоянным, а на самом деле уменьшается. [56] [57] В Персии XI века Омар Хайям составил множество таблиц и провел реформацию календаря , который был точнее юлианского и приблизился к григорианскому .
Другие достижения мусульман в астрономии включали сбор и исправление предыдущих астрономических данных, разрешение существенных проблем в модели Птолемея , разработку универсальной астролябии , независимой от широты , Арзахелем [58], изобретение множества других астрономических инструментов, убеждение Джафара Мухаммада ибн Мусы ибн Шакира в том, что небесные тела и небесные сферы подчиняются тем же физическим законам , что и Земля [59], и введение эмпирической проверки Ибн аш-Шатиром , который создал первую модель движения Луны , которая соответствовала физическим наблюдениям [60] .
Естественная философия (в частности, аристотелевская физика ) была отделена от астрономии Ибн аль-Хайсамом (Альхазеном) в XI веке, Ибн аль-Шатиром в XIV веке [61] и Кушджи в XV веке. [62]
Бхаскара II (1114–1185) был главой астрономической обсерватории в Удджайне, продолжая математическую традицию Брахмагупты. Он написал « Сиддхантасиромани» , которая состоит из двух частей: «Голадхьяя» (сфера) и «Грахаганита» (математика планет). Он также рассчитал время, необходимое Земле для того, чтобы совершить оборот вокруг Солнца, с точностью до 9 знаков после запятой. Буддийский университет Наланды в то время предлагал формальные курсы по астрономическим исследованиям.
Другие важные астрономы из Индии включают Мадхаву из Сангамаграмы , Нилаканту Сомаяджи и Джьештадеву , которые были членами школы астрономии и математики Кералы с 14 по 16 век. Нилаканта Сомаяджи в своей «Арьябхатиябхашье» , комментарии к «Арьябхатии» Арьябхаты , разработал свою собственную вычислительную систему для частично гелиоцентрической планетарной модели, в которой Меркурий, Венера, Марс , Юпитер и Сатурн вращаются вокруг Солнца , которое, в свою очередь, вращается вокруг Земли , подобно системе Тихона , позже предложенной Тихо Браге в конце 16 века. Однако система Нилаканты была математически более эффективной, чем система Тихона, из-за правильного учета уравнения центра и широтного движения Меркурия и Венеры. Большинство астрономов Керальской школы астрономии и математики , которые следовали за ним, приняли его планетарную модель. [63] [64]
После значительного вклада греческих ученых в развитие астрономии, она вступила в относительно статичную эпоху в Западной Европе с римской эпохи до XII века. Это отсутствие прогресса привело некоторых астрономов к утверждению, что в западноевропейской астрономии в Средние века ничего не происходило. [65] Однако недавние исследования выявили более сложную картину изучения и преподавания астрономии в период с IV по XVI века. [66]
Западная Европа вступила в Средние века с большими трудностями, которые повлияли на интеллектуальное производство континента. Передовые астрономические трактаты классической античности были написаны на греческом языке , и с упадком знания этого языка для изучения были доступны только упрощенные резюме и практические тексты. Наиболее влиятельными писателями, которые передали эту древнюю традицию на латыни, были Макробий , Плиний , Марциан Капелла и Кальцидий . [67] В VI веке епископ Григорий Турский отметил, что он изучил свою астрономию, читая Марциана Капеллу, и продолжил использовать эту элементарную астрономию, чтобы описать метод, с помощью которого монахи могли определять время молитвы ночью, наблюдая за звездами. [68]
В VII веке английский монах Беда из Джарроу опубликовал влиятельный текст «О подсчете времени» , предоставляя церковникам практические астрономические знания, необходимые для вычисления правильной даты Пасхи с помощью процедуры, называемой computus . Этот текст оставался важным элементом образования духовенства с VII века до значительного периода после возникновения университетов в XII веке . [69]
Ряд сохранившихся древнеримских сочинений по астрономии и учения Беды и его последователей начали серьезно изучаться во время возрождения обучения, спонсируемого императором Карлом Великим . [70] К IX веку в Западной Европе распространились элементарные методы расчета положения планет; средневековые ученые признавали их недостатки, но тексты, описывающие эти методы, продолжали копироваться, что отражает интерес к движениям планет и их астрологическому значению. [71]
Основываясь на этом астрономическом фоне, в 10 веке европейские ученые, такие как Герберт Орийакский, начали путешествовать в Испанию и Сицилию, чтобы искать знания, которые, как они слышали, существовали в арабоязычном мире. Там они впервые столкнулись с различными практическими астрономическими методами, касающимися календаря и хронометража, в частности, с теми, которые касались астролябии . Вскоре ученые, такие как Герман из Рейхенау, писали тексты на латыни об использовании и конструкции астролябии, а другие, такие как Вальхер из Малверна , использовали астролябию для наблюдения за временем затмений, чтобы проверить достоверность вычислительных таблиц. [72]
К XII веку ученые отправились в Испанию и Сицилию, чтобы найти более продвинутые астрономические и астрологические тексты, которые они переводили на латынь с арабского и греческого, чтобы еще больше обогатить астрономические знания Западной Европы. Появление этих новых текстов совпало с подъемом университетов в средневековой Европе, в которых они вскоре нашли приют. [73] Отражая введение астрономии в университеты, Иоанн Сакробоско написал серию влиятельных вводных учебников по астрономии: « Сфера» , «Компьютус», текст о квадранте и еще один о расчете. [74]
В XIV веке Николь Орем , впоследствии епископ Лизё, показал, что ни тексты Священного Писания, ни физические аргументы, выдвинутые против движения Земли, не были доказательными, и привел аргумент простоты в пользу теории о том, что движется Земля, а не небеса. Однако он пришел к выводу: «Все утверждают, и я думаю так же, что движутся небеса, а не земля: ибо Бог создал мир, который не поколеблется». [75] В XV веке кардинал Николай Кузанский в некоторых своих научных трудах предположил, что Земля вращается вокруг Солнца, и что каждая звезда сама по себе является далеким солнцем.
В эпоху Возрождения астрономия начала переживать революцию в мышлении, известную как Коперниканская революция , которая получила свое название от астронома Николая Коперника , который предложил гелиоцентрическую систему, в которой планеты вращались вокруг Солнца, а не Земли. Его труд De revolutionibus orbium coelestium был опубликован в 1543 году. [76] Хотя в долгосрочной перспективе это было очень спорным утверждением, в самом начале оно вызвало лишь незначительные споры. [76] Теория стала доминирующей точкой зрения, потому что многие деятели, в первую очередь Галилео Галилей , Иоганн Кеплер и Исаак Ньютон, отстаивали и улучшали эту работу. Другие деятели также помогали этой новой модели, несмотря на то, что не верили в общую теорию, как Тихо Браге , с его хорошо известными наблюдениями. [77]
Браге, датский дворянин, был выдающимся астрономом того периода. [77] Он появился на астрономической сцене с публикацией De nova stella , в которой он опроверг общепринятое мнение о сверхновой SN 1572 [77] (Такая же яркая, как Венера на пике своей яркости, SN 1572 позже стала невидимой для невооруженного глаза, опровергнув аристотелевскую доктрину неизменности небес.) [78] [79] Он также создал систему Тихона , в которой Солнце, Луна и звезды вращаются вокруг Земли, но остальные пять планет вращаются вокруг Солнца. Эта система сочетала математические преимущества системы Коперника с «физическими преимуществами» системы Птолемея. [80] Это была одна из систем, в которую люди верили, когда они не принимали гелиоцентризм, но больше не могли принимать систему Птолемея. [80] Он наиболее известен своими высокоточными наблюдениями за звездами и Солнечной системой. Позже он переехал в Прагу и продолжил свою работу. В Праге он работал над Рудольфовыми таблицами , которые были завершены только после его смерти. [81] Рудольфовы таблицы были звездной картой, разработанной так, чтобы быть более точной, чем Альфонсинские таблицы , созданные в 1300-х годах, и Прутские таблицы , которые были неточными. [81] В это время ему помогал его помощник Иоганн Кеплер, который позже использовал его наблюдения для завершения работ Браге, а также для своих теорий. [81]
После смерти Браге Кеплер был признан его преемником и получил задание завершить незаконченные работы Браге, такие как Рудольфины таблицы. [81] Он завершил Рудольфины таблицы в 1624 году, хотя они не были опубликованы в течение нескольких лет. [81] Как и многие другие деятели этой эпохи, он был подвержен религиозным и политическим проблемам, таким как Тридцатилетняя война , которая привела к хаосу, который почти уничтожил некоторые из его работ. Кеплер был, однако, первым, кто попытался вывести математические предсказания небесных движений из предполагаемых физических причин. Он открыл три закона Кеплера о движении планет , которые теперь носят его имя, эти законы следующие:
С помощью этих законов ему удалось улучшить существующую гелиоцентрическую модель. Первые две были опубликованы в 1609 году. Вклад Кеплера улучшил общую систему, придав ей большую достоверность, поскольку она адекватно объясняла события и могла вызывать более надежные предсказания. До этого модель Коперника была столь же ненадежной, как и модель Птолемея. Это улучшение произошло, потому что Кеплер понял, что орбиты были не идеальными окружностями, а эллипсами.
Галилео Галилей был одним из первых, кто использовал телескоп для наблюдения за небом, и после того, как построил 20-кратный рефракторный телескоп. [83] Он открыл четыре крупнейших спутника Юпитера в 1610 году, которые теперь известны как Галилеевы спутники , в его честь. [84] Это открытие было первым известным наблюдением спутников, вращающихся вокруг другой планеты. [84] Он также обнаружил, что на Луне есть кратеры, и наблюдал и правильно объяснил солнечные пятна, и что Венера демонстрирует полный набор фаз, напоминающих лунные фазы. [85] Галилей утверждал, что эти факты демонстрируют несовместимость с моделью Птолемея, которая не могла объяснить это явление и даже противоречила бы ему. [85] С лунами это показало, что Земля не обязательно должна иметь все, вращающееся вокруг нее, и что другие части Солнечной системы могут вращаться вокруг другого объекта, например, Земля, вращающаяся вокруг Солнца. [84] В системе Птолемея небесные тела должны были быть идеальными, поэтому такие объекты не должны иметь кратеров или солнечных пятен. [86] Фазы Венеры могли происходить только в том случае, если орбита Венеры находится внутри орбиты Земли, что не могло бы произойти, если бы Земля была центром. Он, как самый известный пример, должен был столкнуться с вызовами со стороны церковных чиновников, а точнее, римской инквизиции . [87] Они обвинили его в ереси, потому что эти убеждения противоречили учению Римско-католической церкви и бросали вызов авторитету католической церкви, когда она была наиболее слабой. [87] Хотя ему удалось избежать наказания на некоторое время, в конце концов он был судим и признан виновным в ереси в 1633 году. [87] Хотя это потребовало некоторых затрат, его книга была запрещена, и он находился под домашним арестом до своей смерти в 1642 году. [88]
Сэр Исаак Ньютон развил дальнейшие связи между физикой и астрономией посредством своего закона всемирного тяготения . Понимая, что та же сила, которая притягивает объекты к поверхности Земли, удерживает Луну на орбите вокруг Земли, Ньютон смог объяснить — в одной теоретической структуре — все известные гравитационные явления. В своей работе Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica он вывел законы Кеплера из первых принципов. Эти первые принципы следующие:
Таким образом, пока Кеплер объяснял, как движутся планеты, Ньютону удалось точно объяснить, почему планеты движутся именно так. Теоретические разработки Ньютона заложили многие основы современной физики.
За пределами Англии теории Ньютона потребовалось некоторое время, чтобы утвердиться. Теория вихрей Декарта господствовала во Франции, а Гюйгенс , Лейбниц и Кассини приняли только части системы Ньютона, предпочитая свои собственные философии. Вольтер опубликовал популярный отчет в 1738 году. [90] В 1748 году Французская академия наук предложила награду за решение возмущений Юпитера и Сатурна, которое в конечном итоге было решено Эйлером и Лагранжем . Лаплас завершил теорию планет, публикуясь с 1798 по 1825 год. Начались ранние истоки солнечной небулярной модели формирования планет.
Эдмонд Галлей сменил Флемстида на посту королевского астронома в Англии и в 1758 году успешно предсказал возвращение кометы , носящей его имя. В 1781 году сэр Уильям Гершель открыл первую новую планету, Уран , которую удалось наблюдать в наше время. Разрыв между планетами Марс и Юпитер, обнаруженный законом Тициуса-Боде, был заполнен открытием астероидов Цереры и Паллады в 1801 и 1802 годах, а затем и многих других.
Сначала астрономическая мысль в Америке основывалась на философии Аристотеля [91] , но интерес к новой астрономии начал проявляться в альманахах уже в 1659 году [92].
Космический плюрализм — название идеи о том, что звезды — это далекие солнца, возможно, со своими собственными планетными системами. Идеи в этом направлении высказывались в античности Анаксагором и Аристархом Самосским , но не нашли широкого признания. Первым астрономом эпохи европейского Возрождения, предположившим, что звезды — это далекие солнца, был Джордано Бруно в своем труде De l'infinito universo et mondi (1584). Эта идея, наряду с верой в разумную внеземную жизнь, была среди обвинений, выдвинутых против него инквизицией. Эта идея стала общепринятой в конце XVII века, особенно после публикации « Бесед о множественности миров» Бернара Ле Бовье де Фонтенеля (1686), и к началу XVIII века она стала рабочим предположением по умолчанию в звездной астрономии.
Итальянский астроном Джеминиано Монтанари записал наблюдения за изменениями в светимости звезды Алголь в 1667 году. Эдмонд Галлей опубликовал первые измерения собственного движения пары близлежащих «неподвижных» звезд, показав, что они изменили свое положение со времен древнегреческих астрономов Птолемея и Гиппарха. Уильям Гершель был первым астрономом, который попытался определить распределение звезд на небе. В 1780-х годах он установил ряд измерителей в 600 направлениях и подсчитал звезды, наблюдаемые вдоль каждой линии зрения. Из этого он сделал вывод, что число звезд неуклонно увеличивалось к одной стороне неба, в направлении ядра Млечного Пути . Его сын Джон Гершель повторил это исследование в южном полушарии и обнаружил соответствующее увеличение в том же направлении. [93] Помимо других своих достижений, Уильям Гершель известен своим открытием того, что некоторые звезды не просто лежат на одной линии зрения, но являются физическими компаньонами, образующими двойные звездные системы. [94]
До появления фотографии запись астрономических данных была ограничена человеческим глазом. В 1840 году химик Джон У. Дрейпер создал самую раннюю известную астрономическую фотографию Луны. А к концу 19 века были созданы тысячи фотопластинок с изображениями планет, звезд и галактик. Большинство фотографий имели более низкую квантовую эффективность (т. е. захватывали меньше падающих фотонов), чем человеческие глаза, но имели преимущество в виде длительного времени интеграции (100 мс для человеческого глаза по сравнению с часами для фотографий). Это значительно увеличило объем данных, доступных астрономам, что привело к появлению человеческих компьютеров , известных как компьютеры Гарварда , для отслеживания и анализа данных.
Ученые начали открывать формы света, которые были невидимы невооруженным глазом: рентгеновские лучи , гамма-лучи , радиоволны , микроволны , ультрафиолетовое излучение и инфракрасное излучение . Это оказало большое влияние на астрономию, породив области инфракрасной астрономии , радиоастрономии , рентгеновской астрономии и, наконец, гамма-астрономии . С появлением спектроскопии было доказано, что другие звезды похожи на Солнце, но с диапазоном температур , масс и размеров.
Наука звездной спектроскопии была основана Йозефом фон Фраунгофером и Анджело Секки . Сравнивая спектры звезд, таких как Сириус, с Солнцем, они обнаружили различия в силе и количестве их линий поглощения — темных линий в звездных спектрах, вызванных поглощением атмосферой определенных частот. В 1865 году Секки начал классифицировать звезды по спектральным типам . [95] Первое свидетельство наличия гелия было обнаружено 18 августа 1868 года в виде ярко-желтой спектральной линии с длиной волны 587,49 нанометров в спектре хромосферы Солнца. Линия была обнаружена французским астрономом Жюлем Жанссеном во время полного солнечного затмения в Гунтуре, Индия.
Первое прямое измерение расстояния до звезды ( 61 Cygni на расстоянии 11,4 световых лет ) было сделано в 1838 году Фридрихом Бесселем с помощью метода параллакса . Измерения параллакса продемонстрировали огромное разделение звезд на небе. [ необходима цитата ] Наблюдение за двойными звездами приобрело все большее значение в 19 веке. В 1834 году Фридрих Бессель наблюдал изменения в собственном движении звезды Сириус и сделал вывод о наличии у нее скрытого компаньона. Эдвард Пикеринг открыл первую спектрально-двойную звезду в 1899 году, когда он наблюдал периодическое расщепление спектральных линий звезды Мицар в течение 104-дневного периода. Подробные наблюдения многих двойных звездных систем были собраны такими астрономами, как Фридрих Георг Вильгельм фон Струве и С. В. Бернхем , что позволило определить массы звезд из расчета орбитальных элементов . Первое решение проблемы определения орбиты двойных звезд из наблюдений с помощью телескопа было найдено Феликсом Савари в 1827 году. [96] В 1847 году Мария Митчелл с помощью телескопа открыла комету.
С накоплением больших наборов астрономических данных команды, такие как Harvard Computers, стали более заметными, что привело к тому, что многие женщины-астрономы, ранее низведенные до уровня помощников мужчин-астрономов, получили признание в этой области. Военно-морская обсерватория США (USNO) и другие астрономические исследовательские институты нанимали людей-«компьютеров» , которые выполняли утомительные вычисления, в то время как ученые проводили исследования, требующие больше фоновых знаний. [97] Ряд открытий в этот период были первоначально отмечены женщинами-«компьютерами» и сообщены их руководителям. Генриетта Суон Ливитт открыла зависимость периода и светимости переменной звезды цефеиды , которую она в дальнейшем развила в метод измерения расстояния за пределами Солнечной системы.
Ветеран Гарвардских компьютеров, Энни Дж. Кэннон разработала современную версию схемы звездной классификации в начале 1900-х годов (OBAFGKM, основанную на цвете и температуре), вручную классифицировав больше звезд за жизнь, чем кто-либо другой (около 350 000). [98] [99] Двадцатый век стал свидетелем все более быстрого прогресса в научном изучении звезд. Карл Шварцшильд обнаружил, что цвет звезды и, следовательно, ее температуру, можно определить, сравнивая визуальную величину с фотографической величиной . Разработка фотоэлектрического фотометра позволила проводить точные измерения величины в нескольких интервалах длин волн. В 1921 году Альберт А. Майкельсон провел первые измерения диаметра звезды с помощью интерферометра на телескопе Хукера в обсерватории Маунт-Вилсон . [100]
Важные теоретические работы по физической структуре звезд проводились в течение первых десятилетий двадцатого века. В 1913 году была разработана диаграмма Герцшпрунга-Рассела , которая дала толчок астрофизическому изучению звезд. В Потсдаме в 1906 году датский астроном Эйнар Герцшпрунг опубликовал первые графики зависимости цвета от светимости для этих звезд. Эти графики показали заметную и непрерывную последовательность звезд, которую он назвал Главной последовательностью. В Принстонском университете Генри Норрис Рассел построил график спектральных типов этих звезд против их абсолютной величины и обнаружил, что карликовые звезды следуют четкой зависимости. Это позволило с достаточной точностью предсказать реальную яркость карликовой звезды. Были разработаны успешные модели для объяснения внутреннего строения звезд и звездной эволюции. Сесилия Пейн-Гапошкин впервые предположила, что звезды состоят в основном из водорода и гелия, в своей докторской диссертации 1925 года. [101] Спектры звезд были более подробно изучены благодаря достижениям квантовой физики . Это позволило определить химический состав звездной атмосферы. [102] По мере разработки эволюционных моделей звезд в 1930-х годах Бенгт Стрёмгрен ввел термин «диаграмма Герцшпрунга–Рассела» для обозначения диаграммы светимости-спектрального класса. Усовершенствованная схема звездной классификации была опубликована в 1943 году Уильямом Уилсоном Морганом и Филиппом Чайлдсом Кинаном .
Существование нашей галактики , Млечного Пути , как отдельной группы звезд было доказано только в 20 веке, вместе с существованием «внешних» галактик, и вскоре после этого, расширением Вселенной, наблюдаемым в удалении большинства галактик от нас. « Великий спор » между Харлоу Шепли и Хебером Кертисом в 1920-х годах касался природы Млечного Пути, спиральных туманностей и размеров Вселенной. [103]
С появлением квантовой физики спектроскопия получила дальнейшее развитие.
Солнце оказалось частью галактики , состоящей из более чем 10 10 звезд (10 миллиардов звезд). Существование других галактик, один из вопросов великого спора , было решено Эдвином Хабблом , который идентифицировал туманность Андромеды как другую галактику, и многие другие на больших расстояниях и удаляющиеся, удаляясь от нашей галактики.
Физическая космология , дисциплина, тесно связанная с астрономией, достигла огромных успехов в XX веке, при этом модель горячего Большого взрыва в значительной степени подкреплялась доказательствами, предоставленными астрономией и физикой, такими как красные смещения очень далеких галактик и радиоисточников, космическое микроволновое фоновое излучение , закон Хаббла и космологическое содержание элементов .