Historia astronomii

Urania – uosobienie astronomii w mitologii starogreckiej i rzymskiej.

Stonehenge – prehistoryczny obiekt budowlany, który mógł służyć obserwacjom astronomicznym

Historia astronomii – dział historii nauki badający rozwój wiedzy astronomicznej.

Astronomia bywa uznawana za najstarszą z nauk przyrodniczych, ponieważ pierwsze obserwacje tego typu prowadzono już w prehistorii. Od tego czasu rozwija się nieprzerwanie, a w czasach nowożytnych przeszła przez przewrót kopernikański i eksplozję nowych metod jak teleskopia. Rozwój fizyki umożliwił wyjaśnienie i przewidywanie ruchu ciał niebieskich – prawo powszechnego ciążenia stało się podstawą mechaniki nieba i astrodynamiki; ponadto rozwój optyki udoskonalił obserwacje teleskopowe. Następną rewolucję przyniósł XIX wiek, kiedy:

• spektroskopia pozwoliła badać skład chemiczny ciał niebieskich oraz ich prędkość względem Ziemi, dzięki analizie efektu Dopplera;
• przewidziano i potwierdzono istnienie fal radiowych, które później stały się podstawą radioastronomii.

Przełomowy był także wiek XX. Dzięki teorii względności zmieniono wtedy i rozbudowano teoretyczne podstawy astrofizyki, a astronomia stała się jej obserwacyjnym działem. Pojawiły się też nowe metody badania Kosmosu:

• zaczęto obserwować promienie kosmiczne;
• teleskopy kosmiczne pozwoliły na badanie fal elektromagnetycznych dowolnej długości;
• sondy kosmiczne pozwoliły obserwować miejsca niewidoczne z Ziemi jak niewidoczna strona Księżyca, a także badać powierzchnie planet i innych ciał; tym sposobem planetologia przestała być wyłącznie dziedziną astronomii.

W XX wieku astronomia sięgnęła też dużo dalej – potwierdzono istnienie galaktyk innych niż Droga Mleczna i zbadano ich ruch, dzięki czemu kosmologia fizyczna stała się pełnoprawną, ścisłą nauką matematyczno-empiryczną. Kolejną jakościową zmianę przyniósł wiek XXI, kiedy po raz pierwszy wykryto bezpośrednio fale czasoprzestrzeni zwane też promieniowaniem grawitacyjnym.

W toku swojej ewolucji astronomia korzysta intensywnie z osiągnięć matematyki, fizyki i techniki, ale wywiera też wpływ na inne nauki i obszary kultury. Obiekty astronomiczne były narzędziem nawigacji, rachuby czasu przez kalendarze i zegary słoneczne, przedmiotem kultu religijnego, pseudonaukowych wierzeń jak astrologia, a także tematem sztuki, tak jak proces ich badania. Niebu i astronomom poświęcano teksty, dzieła wizualne i utwory muzyczne; badania Kosmosu inspirują fantastykę naukową, zwłaszcza jej podgatunek space opera poświęcony eksploracji.

Na przestrzeni tysiącleci – zwłaszcza od czasów nowożytnych – liczba astronomów, ich prac i instytucji wzrosła o rzędy wielkości. W latach 20. XXI wieku Międzynarodowa Unia Astronomiczna (ang. IAU) zrzesza ponad 10 tys. naukowców. Dla wybitnych badaczy nieba ustanowiono szereg nagród; otrzymują oni między innymi Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki i Medale Copleya, a oprócz tego istnieją wyróżnienia specjalnie dla nich, np. brytyjski Złoty Medal Królewskiego Towarzystwa Astronomicznego (ang. RAS), francuskie Prix Jules-Janssen oraz osobne kategorie Nagrody Crafoorda i Nagrody Shawa.

Starożytność i średniowiecze

Mechanizm z Antykithiry – starożytny kalkulator mechaniczny służący obliczeniom astronomicznym

W starożytności dzięki obserwacjom astronomicznym udowodniono kulistość Ziemi; pierwszym poświadczonym zwolennikiem tej koncepcji – czasem zwanej geosferyzmem – był Pitagoras. Szacowano też rozmiar globu; pewne pomiary wspomina Arystoteles, jednak później okazały się one błędne i nie wiadomo, jak je przeprowadzono. Zachował się za to opis metody Eratostenesa, którego wynik był poprawny z dokładnością co najmniej do rzędu wielkości. Rozwinięto też ilościowe modele ruchu ciał niebieskich jak te Eudoksosa i Ptolemeusza. Pitagorejczycy podejrzewali ruch obrotowy i obiegowy Ziemi, a u Arystarcha z Samos pojawiły się pierwsze spekulacje heliocentryczne. W starożytnej Grecji astronomia była personifikowana przez jedną z muz – Uranię – oraz zaliczana do siedmiu sztuk wyzwolonych, konkretniej do quadrivium, czyli czterech nauk bardziej zaawansowanych, opartych na matematyce. Astronomię uważano za najbardziej zaawansowaną z nich przez oparcie zarówno na pomiarach przestrzeni, jak i czasu. Opisano też cykl Metona – istotny dla obliczania daty paschy, a później Wielkanocy – i wprowadzono kalendarz juliański zawierający lata przestępne. U schyłku starożytności rzymski uczony Marcjan Kapella przedstawił model Układu Słonecznego, który jest geocentryczny, ale Merkury i Wenus obiegają w nim Słońce.

W średniowiecznej Europie wiedza o kulistości Ziemi stała się powszechna, a Mikołaj z Oresme spekulował o jej ruchu wirowym; pojawiały się też pierwsze rewizje mechaniki Arystotelesa. Sacrobosco wyłożył niedoskonałości kalendarza juliańskiego, a Mikołaj z Kuzy kwestionował istnienie środka Wszechświata. Regiomontanus założył obserwatorium astronomiczne oraz przeprowadził badania, które przyczyniły się do przewrotu kopernikańskiego.

Astronomię rozwijano też poza Europą; przykładowo Uług Beg w XV wieku wybudował obserwatorium w Samarkandzie, na terenie późniejszego Uzbekistanu.

Nowożytność

Model tychoński Układu Słonecznego – kompromis między teoriami Ptolemeusza i Kopernika

Galileoskop – luneta analogiczna do tej użytej przez Galileusza na początku XVII wieku

Odkrycia

Renesans przyniósł szereg postępów; przykładowo Leonardo da Vinci wyjaśnił światło popielate Księżyca i wprowadzono kalendarz gregoriański. Jednak najważniejsze było odrodzenie się heliocentryzmu za sprawą Mikołaja Kopernika, przez co doktrynę o obieganiu Słońca przez planety nazwano kopernikanizmem. Początkowo spotykał się z oporem uczonych jak Francis Bacon i William Gilbert, choć ten ostatni zaakceptował ruch wirowy Ziemi – poglądy tego typu bywają nazywane semikopernikańskimi. Obieg wokół Słońca przez planety – inne niż Ziemia i Księżyc – zaaprobował Tycho Brahe, jednak odrzucił on ruch Ziemi, proponując model kompromisowy zwany tychońskim. Kopernik stopniowo zyskiwał zwolenników jak Thomas Digges, Giordano Bruno i Galileusz. Ten ostatni obserwacjami faz Wenus udowodnił, że planeta ta obiega Słońce, a jego inne obserwacje przyczyniły się do przełomu, kwestionując poglądy Arystotelesa na niebo. Włoski uczony popadł w konflikt z częścią władz Kościoła katolickiego, przez co został skazany na areszt domowy, a jego prace i inne rozprawy heliocentryczne umieszczono na Indeksie ksiąg zakazanych. Hierarchia kościelna oficjalnie wspierała model geoheliocentryczny Brahego oraz jego modyfikacje.

Dojrzały model heliocentryczny – pozbawiony epicykli – przedstawił Johannes Kepler, podając trzy prawa nazwane od jego nazwiska. Isaac Newton wydedukował z niego prawo powszechnego ciążenia, z którego wywiedziono dalsze przewidywania, np. siły pływowe prowadzące do obrotu synchronicznego, perturbacje orbit czy paradoks grawitacyjny. Ostateczne dowody heliocentryzmu przyszły w XVIII wieku, kiedy James Bradley poprawnie zidentyfikował aberrację gwiazdową spowodowaną skończoną prędkością światła. Innym bezpośrednim dowodem modelu Arystarcha i Kopernika była poszukiwana od wieków paralaksa roczna, zaobserwowana w XIX stuleciu niezależnie przez trzech uczonych. W tym samym wieku katolicka cenzura heliocentryzmu ostatecznie wygasła.

XVIII i XIX wiek to także odkrycie nowych planet – Urana i Neptuna – oraz pierwsze spekulacje o czarnych dziurach, mgławicowym pochodzeniu Układu Słonecznego i o uformowaniu Księżyca przez zderzenie Ziemi z Teją. Równolegle rozwijano też selenografię i odkrywano kolejne księżyce, np. Tytana. Z danych wyekstrahowano też regułę Titiusa-Bodego, która pomogła przewidzieć nowe obiekty, jednak została sfalsyfikowana przez inne. Oprócz tego Urbain Le Verrier wykazał trudności w wyjaśnieniu orbity Merkurego; jego hipoteza planety Wulkan okazała się błędna, a poprawny mechanizm odkryto w XX wieku dzięki rewizji teorii ciążenia Newtona.

Instytucje

Złoty Medal Królewskiego Towarzystwa Astronomicznego, który Asaph Hall otrzymał w 1879 roku.

W XVII-wiecznej Anglii utworzono Królewskie Obserwatorium Astronomiczne w Greenwich, a jej dyrektor otrzymał tytuł astronoma królewskiego. W tym samym stuleciu powstało Towarzystwo Królewskie w Londynie (ang. Royal Society), które w 1731 roku zaczęło przyznawać Medal Copleya; jego laureatami zostawali też astronomowie, np. James Bradley w 1748.

W XIX wieku w Londynie zawiązano Królewskie Towarzystwo Astronomiczne (ang. RAS), które w tym samym stuleciu zaczęło przyznawać złote medale oraz Medal Jackson-Gwilt. Równolegle ustanowiono też inne:

• 1886: Medal Henry’ego Drapera (USA);
• 1887: Medal Jamesa Craiga Watsona (USA);
• 1897: Prix Jules-Janssen (Francja).

XX wiek

Radioteleskop umieszczony pod Toruniem

(c) Jnn, CC BY 2.1 jp

Makieta obserwatorium Super-Kamiokande wykrywającego neutrina, m.in. te pochodzenia kosmicznego

Odkrycia

Albert Einstein stworzył ogólną teorię względności, która wyjaśniła anomalie w ruchu Merkurego. Jego dzieło zostało ukończone w 1915 roku, opublikowane w 1916, a w 1919 potwierdzone obserwacjami zaćmień przez Arthura Eddingtona, co przyniosło Einsteinowi światową sławę. Przez około pół wieku nowa teoria ciążenia nie doczekała się dalszych dowodów doświadczalnych, jednak dojrzewały jej przewidywania, np. te soczewkowania grawitacyjnego, fal czasoprzestrzeni, czarnych dziur czy modele kosmologiczne. Pojawiały się też koncepcje konkurencyjne jak teoria grawitacji Whiteheada (1922) i teoria Bransa-Dicke’a (1961). W międzyczasie odkrycie ucieczki galaktyk w 1929 sfalsyfikowało cylindryczny model Wszechświata autorstwa Einsteina i doprowadziło do nowych hipotez. Georges Lemaître zaproponował teorię nazwaną potem Wielkim Wybuchem, a Fred Hoyle, Hermann Bondi i Thomas Gold – kosmologię stacjonarną.

Astronautyka doprowadziła do usamodzielnienia się planetologii, której metody przestały być wyłącznie astronomiczne. Otworzyła też epokę teleskopów kosmicznych; pierwszym działającym urządzeniem tego typu było OAO-2 z 1968 roku.

Badania kosmologiczne ożywiło odkrycie mikrofalowego promieniowania tła przez Arno Penziasa i Roberta Wilsona w 1965. Dokładne pomiary tego zjawiska przez misję kosmiczną COBE (1989) potwierdziły podejrzenie Lemaître’a. Wielki Wybuch stał się paradygmatem kosmologii; Stephen Hawking wykazał, że według OTW zaczął się on od początkowej osobliwości, a Alan Guth w 1981 wysunął hipotezę, że jedną z jego faz była inflacja, co ma tłumaczyć niektóre zagadkowe obserwacje w dużej skali.

XX wiek to też pierwsze próby wykrycia promieniowania grawitacyjnego. Joseph Weber twierdził, że zarejestrował to zjawisko, jednak jego wyniki nie zostały powtórzone. Badania pulsarów podwójnych dostarczyły dowodów pośrednich, a w końcu stulecia w USA otwarto obserwatorium LIGO.

W 1992 roku Aleksander Wolszczan i Dale Frail ogłosili pierwsze odkrycie egzoplanety.

Instytucje

W 1919 roku zawiązano Międzynarodową Unię Astronomiczną (ang. IAU). Pojawiły się też nowe nagrody dla astronomów i innych astrofizyków:

• 1953: Medal Eddingtona;
• 1959: Medal Karla Schwarzschilda;
• 1974: Medal Herschela;
• 1982: Nagroda Crafoorda (po raz pierwszy astronoma nagrodzono w 1985).

XXI wiek

Część obserwatorium LIGO umieszczona w Hanford (USA)

Odkrycia

Trzecie tysiąclecie to m.in. dalsze misje kosmiczne:

• Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) wysłany przez NASA w 2001 roku;
• misja Planck wysłana przez Europejską Agencję Kosmiczną (ESA) w 2013 roku;
• Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba uruchomiony w 2021 roku.

W 2016 roku ogłoszono, że detektor LIGO zarejestrował fale czasoprzestrzeni, przez co rok później przedstawiciele tego projektu otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.

Wyzwania stojące przed astronomią to nie tylko dalsza obserwacja niezliczonych obiektów. Zagadkami pozostają ciemna materia, ciemna energia oraz możliwość rozstrzygnięcia szeregu spekulacji fizycznych, np. wspomnianej hipotezy inflacji kosmicznej, promieniowania Hawkinga czarnych dziur, alternatywnych teorii grawitacji czy zunifikowanych modeli cząstek elementarnych.

Instytucje i decyzje

W 2004 roku zaczęto przyznawać Nagrodę Shawa, m.in. w dziedzinie astronomii. Z kolei rok 2009 był świętowany przez ONZ jako Międzynarodowy Rok Astronomii, z okazji 400-lecia astronomii teleskopowej.

W 2006 roku Międzynarodowa Unia Astronomiczna (ang. IAU) uznała, że Pluton nie jest planetą, a w 2018 roku przemianowała prawo Hubble’a na Hubble’a-Lemaître’a z racji tego, że belgijski uczony przewidział je teoretycznie dwa lata przed dowodami obserwacyjnymi.

Linki zewnętrzne

• Jarosław Włodarczyk, artykuły na stronie Nicolaus Copernicus Thoruniensis, copernicus.torun.pl [dostęp 2023-01-10]:
  • Rozwój astronomii od starożytności do XV wieku,
  • Przedkopernikańskie poglądy kosmologiczne,
  • Astronomia w czasach Kopernika – uczeni, publikacje, uniwersytety,
  • Rozwój astronomii od czasów Kopernika do współczesności.