천문학은 인간이 하늘에 대해 관심을 가지며 동서양 양쪽에서 가장 일찍 태동한 학문 중 하나이다. 동서양을 막론하고 농사와 날씨 예견 그리고 해양 지리 관측과 측량이 그 주요 동기라고 볼 수 있다. 어떤 지역에선 스톤헨지처럼 천문학적 목적을 가진 것으로 추정되는 거대한 유적이 건설되기도 했다. 제사 같은 종교적 목적 외에 이러한 천문대들은 1년의 길이를 재거나, 매해 일정한 시기에 농사를 짓고 수확하기 위해 관측되는데 썼을 것으로 추정된다. 망원경이 발명되기 전 천문관측은 높은 건물 같은 곳에서 맨눈으로 이뤄졌다. 문명이 발전하며 특히 메소포타미아, 중국, 이집트, 그리스, 인도, 마야 문명 등에서 천문대가 만들어졌고 우주 본질에 대한 탐구가 시작됐다. 초기 천문학은 오늘날에 측성학으로 알려진 하늘에서 별과 행성들의 위치를 측정하는 것이 대부분을 차지했다. 이런 관측으로부터 행성의 운동 태양, 달, 지구의 본질에 관한 연구가 시작됐다. 이 당시엔 지구가 우주의 중심이며 태양과 달은 지구를 중심으로 공전하고 있다고 믿어졌으며 이를 지구중심설, 천동설 또는 프톨레마이오스 모형이라 부른다. 역사적으로 특히 중요한 사건 중 하나는 바빌론에서 수학 과학적 천문학이 시작된 것이다. 예를 들어 바빌론 천문학자들은 월식이 사로스라는 주기를 가지고 반복적으로 일어난다는 사실을 발견했으며, 바빌론 천문학자들은 이후 다른 문명에서 발달할 천문학적 전통의 기반을 닦았다.
바빌론 이후 천문학에서 중요한 발전은 고대 그리스에서 이뤄졌다. 그리스 천문학은 천문 현상에 대해 이성적이고 물리적인 답을 구하려했다는 특징이 있었다. 기원전 3세기엔 그리스 아리스타르코스가 지구의 크기를 계산했고 달과 태양까지의 상대적 거리를 계산했으며 어스트로랩이라고 불리는 천문기구를 발명했다. 히 파르 쿠스는 또한 방대한 1020개의 별 목록을 작성했으며 북반구의 대부분의 별자리는 이러한 그리스 천문학에서 유래했다. 반면 프톨레마이오스는 천동설을 주장했고 당시의 천문학을 집대성한 알마게스트를 남겼다. 천동설은 기독교 교리에 더 부합했으므로 중세에 들어선 이 책은 천문학에서 가장 권위 있는 책으로 받아들여졌고 코페르니쿠스가 등장하기 전까지는 천동설이 널리 믿어지게 된다. 다른 자연과학 분야와 마찬가지로 천문학도 중세 유럽에서는 13세기까지 거의 정체됐지만 이슬람과 다른 지역에선 눈부신 발전을 거듭했다. 약 9세기 초 이슬람 지역의 최초의 천문대가 등장했다. 964년 페르시아 천문학자 알 수피가 안드로메다 은하를 발견하고 Book of fixed stars라는 책에서 이에 대해 서술했다. 역사상 기록된 가장 밝은 초신성인 SN1006이 이집트 출신 아랍 천문학자와 중국의 천문학자들에 의해 1006년에 관측됐다.
17세기 전후 발명된 망원경으로 천문학은 더 멀리 볼 수 있게 됐고 20세기에 이르는 시기에 발전된 역학, 전자기학 및 상대성 이론과 같은 현대물리학의 업적은 천문학과 서로 도움을 주고받으며 새로운 장을 열었다. 20세기에 접어들어 인간은 지구를 벗어나 우주 공간에서 우주를 관찰 탐험하는 경지에 이르렀다. 르네상스 기간에 코페르니쿠스가 태양 중심설을 제안했으며 이는 갈릴레이와 케플러에 의해 좀 더 확장되고 발전됐다. 갈릴레이는 처음으로 천문학에 망원경을 도입했다. 마침내 케플러는 행성들이 태양을 초점에 놓는 타원 궤도를 공전하는 정확한 태양계 모형을 고안해 냈지만, 행성들이 타원 궤도를 그리는 근본적인 이유는 알지 못했다. 마침내 이는 뉴턴이 천체역학과 중력의 법칙을 발견함으로써 해결됐다. 뉴턴은 또한 새로운 방식의 반사 망원경을 고안하기도 했다.
망원경의 크기와 성능이 향상되며 많은 천문학적 발견들이 이루어졌는데 프랑스 천문학자 라카유에 의해 방대한 별의 목록이 만들어졌고 허셜은 방대한 성운,성단의 목록을 제작했다. 1781년엔 처음으로 새로운 행성인 천왕성을 발견하게 된다. 1838년엔 베셀이 백조자리 61 별의 연주 시차를 측정함으로 처음으로 별까지의 거리를 측정했다. 18~19세기 중 오일러, 클레로, 달랑베르 등이 삼체문제를 해결하기 위해 많은 노력을 기울였으며 이로써 달과 태양의 위치를 보다 정확하게 예측할 수 있게 됐다. 라그랑주와 라플라스는 이런 노력을 더 발전시켜서 달과 행성의 섭동으로부터 질량을 추정하기도 했다. 분광학과 사진술 같은 새로운 기술의 발전으로 천문학에 획기적인 발전이 이뤄졌다. 프라운호퍼는 1814~1815년 태양의 스펙트럼에서 약 600개의 어두운 띠를 발견했는데 이는 1859년 키르히호프에 의해 각기 다른 원소들 때문에 생긴다는 것이 밝혀졌다. 분광학을 다른 별들에 적용함으로써 별들이 태양과 같은 천체이며 온도, 질량, 크기가 다른 것이라는 사실이 정립됐다.
20세기에 들어 하늘에 보이는 은하수가 별들의 집합인 우리은하라는 사실이 확립됐고 이어서 우리 은하 밖의 외부 은하, 그리고 우주의 팽창이 발견됐다. 현대 천문학은 또한 펄사, 퀘이사, 블레이저, 전파 은하 같이 특이한 천체들을 발견했고 이러한 관측들은 이를 중성자별 블랙홀로 설명하는 이론의 발전에 중요한 역할을 했다. 우주 마이크로파 배경, 허블의 법칙, 우주의 원소 함량 등 관측이 지지하는 대폭발 이론의 등장으로 물리적 우주론은 20세기에 들어 큰 성공을 거뒀다. 우주 망원경의 발전으로 지구의 대기에 흡수돼서 그동안 관측할 수 없었던 전자기파 영역을 통한 관측이 가능하게 됐다.
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