Αστροφυσική και κοσμολογία
2.300 χρόνια επιτευγμάτων

Άρθρο Εισαγωγή, Οκτώβριος 2002

Η κατανόηση που ήδη έχουμε για το Σύμπαν, είναι αλήθεια ότι προωθήθηκε αφάνταστα κατά τον 20ο αιώνα, αλλά δεν φαίνεται να υπάρχει και κανένα τέλος σε νέες ανακαλύψεις, καθώς εισήλθαμε στην επόμενη χιλιετία του Υδροχόου.

Εισαγωγή

Αν κοιτάξουμε 2300 χρόνια αστροφυσικής πίσω μας, βλέπουμε δύο μεγάλες στιγμές επιστημονικών επιτευγμάτων. Η μία στιγμή βρίσκεται στην αρχή της εποχής αυτής ­ στον Ελληνικό κόσμο του Αριστοτέλη, του Αρίσταρχου του Σάμιου και του Κλαύδιου Πτολεμαίου (2ος αιώνας π.Χ.). Η άλλη στιγμή βρίσκεται στην εποχή που ζούμε. Τα επιτεύγματα της αστροφυσικής στον περασμένο αιώνα, και ιδιαίτερα κατά τη διάρκεια των τελευταίων 50 ετών, είναι τεράστια.

Οι πρώτοι κοσμολόγοι έπρεπε να συντάξουν τις θεωρίες τους βασιζόμενοι μόνο σε ό,τι ήταν ορατό δια γυμνού οφθαλμού, και όλοι τους ξεκινούσαν από την κατανοήσιμη έννοια ότι η Γη ήταν ακίνητη και αποτελούσε το κέντρο του Σύμπαντος. Αν και η καθημερινή εμπειρία μας κάνει να πιστεύουμε ότι είναι μια λογική υπόθεση, όμως η άμεση παρατήρηση της φύσης μας εμφανίζει ότι ο πραγματικός κόσμος δεν είναι και τόσο απλός. Παραδείγματος χάριν, όταν ένα σκάφος έρχεται από μακριά, το πρώτο που φαίνεται είναι τα πανιά του και μετά το ίδιο το ίδιο το σκάφος. Εάν η Γη ήταν επίπεδη, τότε θα βλέπαμε κατευθείαν ολόκληρο το σκάφος, μόλις πλησίαζε κοντά στην ακτή.

Οι Έλληνες

Υπήρχε όμως μια κοσμολογία, αυτή του Αρίσταρχου από τη Σάμο (310-250 π.Χ.), που δεν ήταν γεωκεντρική. Ο Αρίσταρχος πήγε στην Αλεξάνδρεια γύρω στο 280 π.Χ. και για τον περίφημο αυτόν προγονό μας ο Αρχιμήδης (287-212 πΧ.) μας λέει: «Αρίσταρχος ο Σάμιος υποτίθεται τα μεν απλανέα των άστρων και τον άλιον μένειν ακίνητα, τα δε γαν περιφέρεσθαι περί τον άλιον κατά κύκλου περιφέρειαν». Δηλαδή, η Γη δεν είναι το κέντρο του κόσμου, όπως το ήθελαν οι κάτοικοι της, αλλά μια μηδαμινή σφαίρα που περιφέρεται γύρω από τον Ήλιο. Κι όμως η καταπληκτική και απλή αυτή εξήγηση του ηλιοκεντρικού συστήματος του Αρίσταρχου, που αντέγραφε ουσιαστικά ο Κοπέρνικος 1.800 χρόνια αργότερα, παραμερίστηκε σύντομα, γιατί δεν συμφωνούσε με την καθημερινή λογική ενός γεωκεντρικού συστήματος.

Ο Αριστοτέλης λοιπόν παρείχε δύο επί πλέον λόγους γιατί η Γη ήταν στρογγυλή. Πρώτον, σημείωσε ότι η γήινη σκιά πάντα έκανε μια κυκλική στεφάνη πάνω στο φεγγάρι κατά τη διάρκεια μιας σεληνιακής έκλειψης, η οποία εξηγείται μόνο αν η Γη ήταν σφαιρική. (Εάν η Γη ήταν ένας δίσκος, η σκιά της θα εμφανιζόταν ως επιμηκυσμένη έλλειψη τουλάχιστον κατά τη διάρκεια της έκλειψης.) Δεύτερον, ο Αριστοτέλης ήξερε ότι οι άνθρωποι που ταξίδεψαν προς το Βορρά, είδαν τον Πολικό Αστέρα να ανατέλλει υψηλότερα στον ουρανό, ενώ προς το Νότο είδαν τον Πολικό αστέρα να βυθίζεται. Σε μια επίπεδη Γη, οι θέσεις των αστεριών δεν θα μεταβάλλονταν με τη τοποθεσία της παρατήρησης.

Περίπου το 330 π.Χ. ο Αριστοτέλης αναγνώρισε ότι ο Ήλιος και η Σελήνη είναι σφαίρες, και ότι οι τροχιές τους γύρω από τη Γη είναι κυκλικές. Έδειξε ότι οι κινήσεις των πλανητών θα μπορούσαν να κατασκευαστούν από έναν συνδυασμό διάφορων κυκλικών κινήσεων. Αλλά μετά από προσεκτική μελέτη αποφάσισε ότι ο ήλιος δεν ήταν στο κέντρο αυτών των τροχιών, έτσι επέλεξε τη Γη ως το κέντρο του ηλιακού μας συστήματος.

Ο Αριστοτέλης εξήγησε σωστά τις εκλείψεις του ήλιου και της Σελήνης, και συμπέρανε ότι η Γη ήταν σφαιρική από τη σκιά της πάνω στο φεγγάρι. Έκανε ακόμη και μια σωστή εκτίμηση της γήινης ακτίνας. Επιπλέον, αναγνώρισε ότι τα αστέρια πρέπει να είναι πολύ απόμακρα και υποστήριξε ότι ήταν κι αυτά σφαιρικά. Επίσης έθεσε ως αίτημα ότι τα αστέρια πρέπει να βρίσκονται πέρα από μια ορισμένη απόσταση.

Από όλους τους αρχαίους φιλοσόφους ο πρώτος πραγματικά σημαντικός παρατηρησιακός αστρονόμος ήταν ο Ίππαρχος που έζησε γύρω στο 150 πΧ. Ο Ίππαρχος κατόρθωσε να υπολογίσει τη διάρκεια του έτους με ακρίβεια που υστερούσε μόνο πέντε λεπτά και ανακάλυψε τη μετακίνηση του ουράνιου πόλου (τη μετάπτωση των ισημεριών), αν και δεν κατόρθωσε να την εξηγήσει. Το πολυπλοκότερο πάντως από τα γεωκεντρικά συστήματα δημιουργήθηκε από τον Κλαύδιο Πτολεμαίο (108-168 μ.Χ.) στην Αλεξάνδρεια το 2ο αιώνα μΧ.

Ο Κλαύδιος Πτολεμαίος

Ο Κλαύδιος Πτολεμαίος ήταν βασικά ένας θεωρητικός ερευνητής που στήριξε τις απόψεις του σε μεγάλο βαθμό στις παρατηρήσεις και τα στοιχεία που είχε συγκεντρώσει ο Ίππαρχος 300 χρόνια νωρίτερα. Είναι γνωστός κυρίας για το μεγάλο έργο του, τη «Μεγάλη Μαθηματική Σύνταξη», γνωστή και ως Αλμαγέστη (από την ονομασία που της έδωσαν οι Άραβες), η οποία περιείχε τις εργασίες πολλών Ελλήνων αστρονόμων, καθώς και τις δικές του μελέτες σε συνολικά 13 τόμους.

Η Μεγάλη Μαθηματική Σύνταξη του Κλαύδιου Πτολεμαίου, που εκτός από αστρονόμος ήταν γεωγράφος και μαθηματικός, θεωρήθηκε καθοριστικής σημασίας για περισσότερο από 1.400 χρόνια. Δεν υπαινίχθηκε απλώς ότι οι ουρανοί είναι σφαιρικοί, αλλά επέμεινε ότι έχουν ακριβώς το σχήμα της σφαίρας. Επειδή ο νυχτερινός ουρανός είχε το σχήμα τέλειου ημισφαιρίου, η Γη όφειλε να βρίσκεται στο κέντρο του σύμπαντος - στον φυσικό της τόπο σύμφωνα με την κοσμολογία του Αριστοτέλη. Περαιτέρω, η Γη του Πτολεμαίου δεν περιστρεφόταν γύρω από τον άξονα της: αν περιστρεφόταν τα σύννεφα και τα πουλιά θα έμεναν πίσω, μην μπορώντας να την ακολουθήσουν.

Η Αλμαγέστη επαναλάμβανε ένα μεγάλο μέρος από το έργο του Ίππαρχου. Μεταξύ άλλων, τη μέτρηση της γωνίας της εκλειπτικής, εκτιμήσεις των αποστάσεων της Γης από τη Σελήνη και τον Ήλιο κι έναν κατάλογο αστέρων. Ακόμα απαριθμούσε 44 αστερισμούς, στους οποίους ο Πτολεμαίος έδωσε το όνομα που χρησιμοποιείται ακόμα και σήμερα (για παράδειγμα Ωρίων και Λέων).

Η συμβολή του Πτολεμαίου που άσκησε τη μεγαλύτερη επιρροή ήταν η μαθηματική θεωρία του για τις πλανητικές κινήσεις. Επειδή οι τροχιές των πλανητών περί τον Ήλιο είναι σχεδόν κυκλικές, το γεωκεντρικό του σύστημα μπορούσε να προβλέπει με αποδεκτή ακρίβεια τις θέσεις τους. Με λίγα λόγια: οι πλανήτες περιφέρονταν σταθερά πάνω σε έναν τέλειο κύκλο, τον επίκυκλο. Το κέντρο αυτού του κύκλου περιφερόταν σταθερά πάνω σε έναν άλλο τέλειο κύκλο (τον φέροντα) που είχε ως κέντρο του τη Γη.

Ωστόσο για να εξηγήσει τη φαινόμενη μεταβλητή ταχύτητα της περιφοράς των πλανητών καθώς και τη μη τέλεια κυκλική τροχιά τους, ο Πτολεμαίος αναγκάστηκε να εισαγάγει περίπλοκα εργαλεία, όπως ένα σημείο που ονομάζει εξισωτή. Παρ' όλα αυτό η Αλμαγέστη δεν παύει να είναι ένα σημαντικό μαθηματικό επίτευγμα. Αρκεί να αναλογιστεί κανείς πως όλοι οι Ευρωπαίοι αστρονόμοι μέχρι την εποχή του Tycho Brahe ήταν πεπεισμένοι ότι οι σφαίρες που φέρουν τα ουράνια σώματα έχουν υλική υπόσταση.

Ο Πτολεμαίος ασχολήθηκε ακόμη με την αστρολογία και τη γεωγραφία. Η γεωγραφική πραγματεία του είχε στην κλασική γεωγραφία ανάλογη θέση με τη θέση της Αλμαγέστης στην κλασική αστρονομία.

Παρά ταύτα, πολλοί άνθρωποι πίστευαν σε μια επίπεδη Γη για πολλούς αιώνες. Από τότε λοιπόν η επίσημη άποψη ήταν ότι όσα είχαμε να μάθουμε για το Σύμπαν ήταν ήδη γνωστά. Η Γη θεωρούνταν το κέντρο του Σύμπαντος και οι ελάχιστοι που πρότειναν ιδέες, οι οποίες αργότερα αποδείχτηκαν πιο σωστές δεν ήταν παρά μεμονωμένες φωνές «βοώντων εν τη ερήμω». Και τότε μέσα σε ένα σχετικά μικρό χρονικό διάστημα ολόκληρος ο κλάδος της Αστρονομίας αλλά και όλης της επιστήμης επαναστατικοποιήθηκε από την εμφάνιση αρκετών μεγαλοφυών ανθρώπων. Σε αυτό βοήθησαν και οι εξερευνήσεις στον 16ο αιώνα και οι πεποιθήσεις αυτές σταμάτησαν.

Για να εκτιμήσουμε τα επιτεύγματα του Αριστοτέλη, πρέπει να καταλάβουμε ότι δεν είχε επιτευχθεί καμία σημαντική πρόοδος στην εικόνα του Κόσμου για 1900 χρόνια, έως ότου ο Νίκολας Κοπέρνικος ανακαλύψει ότι ο ήλιος είναι το κέντρο του ηλιακού μας συστήματος. Ακόμα και η μεγάλη πρόοδος που έγινε από το Κοπέρνικο, έγινε μέσα στο αριστοτελικό πλαίσιο και συνελήφθη σαν μια προσπάθεια της βελτίωσης των παρατηρήσεών του Αριστοτέλη για τις πλανητικές τροχιές.

Για τους περισσότερους αρχαίους αστρονόμους, οι ακριβείς προβλέψεις των θέσεων των πλανητών ήταν ισοδύναμες προς την κατανόηση του πως δουλεύει το Σύμπαν. Τα πιό μακριά απόμακρα αστέρια ήταν απλά το φόντο πάνω στο οποίο πραγματοποιείται η πλανητική δράση. Ο Πτολεμαίος, ο τελευταίος των μεγάλων Ελλήνων αστρονόμων της αρχαιότητας, ανέπτυξε ένα αποτελεσματικό σύστημα για τον Κόσμο στη "Μεγίστη Μαθηματική Σύνταξη" ή Αλμαγέστη . Η θεωρία του βασίστηκε αρκετά στην εργασία του προκατόχου του Ιππάρχου, έτσι ο Πτολεμαίος σχεδίασε ένα γεωκεντρικό μοντέλο ή με την Γη στο κέντρο, ένα μοντέλο που κράτησε για 1.900 έτη.

Ότι ο Πτολεμαίος μπόρεσε να τοποθετήσει τη Γη στο κέντρο του Κόσμου και να προβλέψει ικανοποιητικά τις θέσεις των πλανητών, οφειλόταν στην ικανότητά του ως μαθηματικός. Έτσι μπόρεσε να κάνει το μοντέλο του με τέτοιο τρόπο, ώστε να διατηρήσει συγχρόνως και την αρχαία ελληνική πεποίθηση ότι οι Ουρανοί ήταν τέλειοι -- κι έτσι ο κάθε πλανήτης να κινείται κατά μήκος μιας κυκλικής τροχιάς (η τέλεια καμπύλη με θεϊκή ιδιότητα) με σταθερή ταχύτητα. 

Οι μεγαλύτερες δυσκολίες που έπρεπε να υπερνικήσει εξηγούσαν τις μεταβαλλόμενες ταχύτητες και τις περιστασιακές ανάδρομες κινήσεις (από την ανατολή προς τη δύση) των πλανητών. Το έργο αυτό το ολοκλήρωσε βάζοντας τον πλανήτη να κινείται κατά μήκος ενός μικρού κύκλου, του ονομαζόμενου επίκυκλου, του οποίου το κέντρο κινιόταν ομοιόμορφα κατά μήκος ενός μεγαλύτερου κύκλου, που ονομάστηκε φέροντας ή οδηγός κύκλος, με τη Γη στο κέντρο του.

Όταν αυτό το σχέδιο κόντευε να ολοκληρωθεί, ο Πτολεμαίος κατάλαβε πως υπήρχαν κάποια λάθη και έτσι έκανε μερικές μικρές διορθώσεις. Πρώτον, τοποθέτησε τη Γη ελαφρώς πιο μακριά από το κέντρο του φέροντος κέντρου (Μια Γη που δεν βρίσκεται στο κέντρο αυτού του κύκλου, μοιάζει με το σημερινό σύστημα, όπου ο ήλιος βρίσκεται στο ένα κέντρο της έλλειψης. Και δεύτερον, τοποθέτησε το κέντρο της κίνησης του επίκυκλου να κινείται με μια σταθερή γωνιακή ταχύτητα γύρω από ένα τρίτο σημείο, το οποίο βρίσκεται στην αντίθετη πλευρά του κέντρου του φέροντος κύκλου από τη Γη. Αυτές οι τροποποιήσεις επέτρεψαν στον Πτολεμαίο, να προβλέψει τις θέσεις των πλανητών με λογική -- αν και κάθε άλλο παρά ιδανική -- ακρίβεια. 

Κατά τη διάρκεια του Μεσαίωνα δυστυχώς η περισσότερη από αυτήν την γνώση της Αρχαίας Ελλάδας για την αστροφυσική εξαφανίστηκε στην Ευρώπη, αν και κάποια γνώση συντηρήθηκε από τους Άραβες. Μόνο ένα αχνό φως ρίχτηκε μέσα σε αυτό το σκοτάδι από μορφωμένους μοναχούς, όπως ο πατέρας Bede στον 8ο αιώνα.

Η αναγέννηση όμως στην αστροφυσική δεν ήρθε, όταν οι αστρονόμοι μετέβαλαν το θεωρητικό πλαίσιο του Αριστοτέλη, με τις εργασίες του Γαλιλαίου στην αρχή του 17ου αιώνα. Η αληθινή αναγέννηση ήρθε μόνο κατά τη διάρκεια του 12ου και 13ου αιώνα, όταν ανακαλύφθηκαν  εκ νέου οι  εργασίες του Αριστοτέλη από τους ευρωπαίους μελετητές.

Μετά το Μεσαίωνα

Ο πρώτος από τους φημισμένους αστρονόμους της Αναγέννησα ήταν ο Νικόλαος Κοπέρνικος (1473-1543), ένας Πολωνός κληρικός και αστρονόμος. Ο Κοπέρνικος θεωρούσε το γεωκεντρικό σύστημα υπερβολικά πολύπλοκο, γι' αυτό και υποστήριζε το πιο απλό ηλιοκεντρικό σύστημα, με τη Γη να περιστρέφεται γύρω από τον άξονα της μία φορά την ημέρα και να περιφέρεται γύρω από τον Ήλιο μία φορά το χρόνο.

Ο Κοπέρνικος έκανε ένα μεγάλο άλμα προς τα εμπρός αναγνωρίζοντας ότι οι κινήσεις των πλανητών θα μπορούσαν να εξηγηθούν με την τοποθέτηση του ήλιου στο κέντρο του Κόσμου αντί της Γης. Κατά την άποψη του, η Γη ήταν απλά ένας από πολλούς πλανήτες που περιστρέφονται γύρω από τον ήλιο, και η καθημερινή κίνηση των αστεριών και των πλανητών ήταν ακριβώς μια αντανάκλαση της περιστροφής της Γης στον άξονα της. Αν και ο Έλληνας αστρονόμος Αρίσταρχος ανέπτυξε την ίδια υπόθεση 1500 χρόνια νωρίτερα, ο Κοπέρνικος ήταν το πρώτο πρόσωπο που υποστήριξε τις ιδέες του στην σύγχρονη εποχή.

Κατά την ηλιοκεντρική άποψη του Κοπέρνικου για τον Κόσμο, η περιστασιακή ανάδρομη κίνηση των πλανητών, οφείλεται στις συνδυασμένες κινήσεις της Γης και των πλανητών. Καθώς οι ταχύτητες της Γης γύρω από τον ήλιο είναι μεγαλύτερες,  προσπερνά περιοδικά τους εξωτερικούς πλανήτες. Όπως ένας πιό αργός δρομέας σε έναν εξωτερικό διάδρομο στο στάδιο των αγώνων, έτσι και ο πιό μακρινός πλανήτης εμφανίζεται να κινείται προς τα πίσω σχετικά με τη Γη.

Το μοντέλο του Κοπέρνικου εξηγεί επίσης γιατί οι δύο πλανήτες που είναι πιό κοντά στον ήλιο, ο Ερμής και η Αφροδίτη, δεν απομακρύνονται ποτέ μακριά από τον ήλιο πάνω στον ουρανό και επέτρεψε έτσι στον Κοπέρνικο να υπολογίσει σε κατά προσέγγιση, την κλίμακα του ηλιακού μας συστήματος για πρώτη φορά. Βέβαια το μοντέλο του Κοπέρνικου είχε προβλήματα. Ήταν προσκολλημένος ακόμα στην κλασσική ιδέα ότι οι πλανήτες πρέπει να κινούνται σε κυκλικές τροχιές με σταθερές ταχύτητες, όπως έλεγε και ο Πτολεμαίος, και στο μοντέλο του οι τροχιές ήταν κυκλικές μέσα σε άλλους κύκλους για να μπορέσει να προβλέψει τις θέσεις των πλανητών με λογική ακρίβεια.

Παρά τη βασική αλήθεια του μοντέλου του, ο Κοπέρνικος δεν απέδειξε ότι η Γη κινείται γύρω από τον ήλιο. Αυτή η άποψη αφέθηκε για τους επόμενους αστρονόμους.

Την ίδια περίοδο έζησε κι ένας από τους σημαντικότερους παρατηρησιακούς αστρονόμους της Αναγέννησα, ο Τύχων Μπράχε (1546-1601), του οποίου οι παρατηρήσεις έμειναν στα χέρια του νεαρού βοηθού του Γιόχαν Κέπλερ. Ο Γιόχαν Κέπλερ (1571 -1630) δεν ήταν παρατηρητής αλλά ένας εξαίρετος θεωρητικός που έστρεψε την προσοχή του στη βελτίωση της ακρίβειας του Κοπερνίκειου Συστήματος, πεπεισμένος ότι υπήρχε κάποιος βασικός φυσικός νόμος ή μια ομάδα νόμων που καθόριζαν τις κινήσεις των πλανητών.

Ο Κέπλερ υποστήριξε την ηλιοκεντρική όψη του Κοπέρνικου για τον Κόσμο και αφαίρεσε την απαίτηση που υπήρχε ότι οι πλανήτες κινούνται σε κυκλικές τροχιές με σταθερές ταχύτητες. Αλλά αυτό το μοντέλο δημιουργήθηκε μόνο αφού εξάντλησε κάθε συνδυασμό κυκλικών κινήσεων που θα μπορούσε να συλλάβει. Ύστερα δε από μακρές και επίμονες δοκιμές διαφόρων υποθέσεων, ο Κέπλερ έκανε δυο βασικές διαπιστώσει: πρώτον, ότι ο Άρης κινείται σε μια έλλειψη, με τον Ήλιο σε μία από τις δυο εστίες και, δεύτερον, ανακάλυψε το νόμο που καθορίζει την ταχύτητα με την οποία ο Άρης κινείται στα διάφορα τμήματα της τροχιάς του.

Βασίζοντας την εργασία του στις λεπτολόγες και υπερβολικά ακριβείς παρατηρήσεις που έκανε με τα μάτια του, ο Δανός αστρονόμος Tycho Brahe, ο Κέπλερ προσπάθησε περισσότερο από μια δεκαετία να ταιριάξει με τις θέσεις του Άρη με κάποιο είδος κυκλικής κίνησης. Αλλά μόνο όταν αντικατάστησε τον κύκλο με την έλλειψη, μπόρεσε να ταιριάξει τις θέσεις του Άρη στο νέο μοντέλο του, όπως και τους άλλους πλανήτες. Η ελλειπτική τροχιά ήταν ο πρώτος νόμος του Κέπλερ. Αργότερα αντιμετώπισε το πρόβλημα των μεταβολών των ταχυτήτων των πλανητών. Καθόρισε ότι ένας πλανήτης ταξιδεύει γρηγορότερα όταν έρχεται πιό κοντά στον ήλιο και κινείται πιό αργά όταν είναι πολύ μακριά από τον ήλιο (Β! νόμος). Ο τρίτος και τελικός νόμος της πλανητικής κίνησής του δίνει την ακριβή σχέση μεταξύ της απόστασης ενός πλανήτη από τον ήλιο και του χρόνου περιστροφής του.

Οι δυο νόμοι του Κέπλερ δημοσιεύτηκαν το 1609, ενώ λίγο αργότερα απέδειξε ότι οι δυο αυτοί νόμοι έχουν ισχύ και για όλους τους άλλους πλανήτες. Με τους δυο αυτούς νόμους ο Κέπλερ μπορούσε να εξηγήσει άνετα τις κινήσεις των πλανητών σχεδόν με μηδαμινό λάθος.

Στο διάστημα όμως που συνέβαιναν οι διάφορες αυτές εξελίξεις, ένας Ιταλός επιστήμονας μελετούσε τον ουρανό με ένα όργανο που επρόκειτο να γίνει το πιο ισχυρό εργαλείο της παρατηρησιακής Αστρονομίας. Ο Γαλιλαίος (1564-1642) δεν εφηύρε το τηλεσκόπιο και δεν ήταν ο πρώτος που το έστρεψε προς τον ουρανό. Ήταν, όμως χωρίς αμφιβολία, ο πρώτος που εκτίμησε τη σπουδαιότητα του και κατάλαβε όλα όσα παρατήρησε μ' αυτό. Ο Γαλιλαίος ανακάλυψε, για παράδειγμα, ότι οι πλανήτες ήταν αρκετά διαφορετικοί σε εμφάνιση από ό,τι τα άστρα, ενώ το 1610 ανακάλυψε τέσσερις δορυφόρους να περιφέρονται γύρω από τον Δία, που αποδείχτηκε ένα μεγάλο επιχείρημα υπέρ του Κοπερνίκειου Συστήματος. Κάτω, όμως από την απειλή να τον κάψουν ζωντανό, ο Γαλιλαίος αναγκάστηκε να ανακαλέσει και να περάσει το υπόλοιπο της ζωής του σε κατ' οίκον περιορισμό, μέχρι που πέθανε το 1642 σε ηλικία 78 ετών. Οι νέες, όμως ιδέες διαδόθηκαν παντού σαν πυρκαγιά. Και στο τέλος ακόμη και το εκκλησιαστικό κατεστημένο κατάλαβε ότι ούτε οι αφορισμοί ούτε το κάψιμο των βιβλίων ούτε οι απειλές ούτε οι εκτελέσει μπορούσαν να σταματήσουν την εξάπλωση των νέων γνώσεων. Γιατί το όραμα του Γαλιλαίου βασιζόταν στην πραγματικότητα.

Την ίδια χρονιά που πέθανε ο Γαλιλαίος γεννήθηκε ίσως ο μεγαλύτερος ετπστήμονας όλων των εποχών. Ο Ισαάκ Νεύτων (1642-1727) ήταν ένας μεγάλος μαθηματικός και έδειχνε ιδιαίτερο ενδιαφέρον για τα αστρονομικά προβλήματα της εποχής του. Την απάντηση του στα προβλήματα αυτά περιέλαβε, μεταξύ άλλων, στο φημισμένο έργο του «Principia», που θεμελίωνε τον Παγκόσμιο Νόμο της Βαρύτητας. Ο Νεύτων μάς έδειξε ότι οι τρεις νόμοι του Κέπλερ για την κίνηση των πλανητών μπορούσαν να προκύψουν με μαθηματικό τρόπο από τη δική του θεωρία, η οποία δεν εξηγούσε μόνο τις κινήσει των πλανητών, αλλά και πολλά άλλα φαινόμενα, όπως οι παλίρροιες και οι ισημερίες. Οι πρώτες άμεσες αποδείξεις για τους νόμους του Κέπλερ ήρθαν από τους νόμους του Νεύτωνα για την κίνηση, που λένε ότι το ελαφρύτερο πάντα βρίσκεται σε τροχιά γύρω από το βαρύτερο σώμα.  Επειδή ο ήλιος έχει περίπου 330.000 φορές περισσότερη μάζα από τη Γη, φυσικά και ο πλανήτης μας πρέπει να κινείται γύρω από αυτόν. Μια άμεση παρατήρηση της γήινης κίνησης ήρθε το 1838 όταν μέτρησε ο Γερμανός αστρονόμος Friedrich Bessel τη μικροσκοπική μετατόπιση, ή την παράλλαξη, ενός κοντινού αστεριού σχετικά με τα πιο απόμακρα αστέρια. Αυτή η μικροσκοπική μετατόπιση αντανακλά την μεταβολή του ανωτέρω σημείου καθώς περιστρεφόμαστε γύρω από τον ήλιο κατά τη διάρκεια του έτους.

Μία από τις δυσκολίες που ανακύπτουν κατά την ανασκόπηση των 2.300 ετών της αστροφυσικής οφείλεται στο γεγονός ότι πολλές από τις προόδους που έγιναν από τους αστρονόμους, ήταν συγχρόνως και σημαντικές πρόοδοι στη φυσική. Η ανάλυση του Γαλιλαίου για το ρόλο της επιτάχυνσης στην κατανόηση των σωμάτων που πέφτουν καθώς και της κίνησης των βλημάτων, μπορεί να ταξινομηθεί ως καθαρή φυσική. Εντούτοις, η αναγνώριση από το Νεύτωνα ότι η τροχιά της Σελήνης γύρω από τη Γη είναι ένα όριο της κίνησης ενός βλήματος, που έχει ριχθεί από τη Γη, και η ανακάλυψη από αυτό της βαρύτητας σαν καθολική ιδιότητα των σωμάτων, πρέπει σίγουρα να εκληφθεί σαν μια αστροφυσική ανακάλυψη.

Οι εργασίες του Γαλιλαίου και του Νεύτωνα στον 17ο αιώνα αντιπροσωπεύουν την πρώτη σημαντική πρόοδο από τα χρόνια του Πτολεμαίου, 15 αιώνες νωρίτερα. Και οι δύο επιστήμονες είχαν μεγάλη συνεισφορά στην ανάπτυξη του τηλεσκοπίου. Ο Νεύτωνας μάλιστα παρείχε την κρίσιμη σημαντική ανακάλυψη του τηλεσκοπίου ανάκλασης, ενώ και ο Γαλιλαίος ήταν ένας από τους πρώτους που εφήρμοσε, το προσφάτως ανακαλυφθέν, διαθλαστικό  τηλεσκόπιο στην αστρονομία. Η περιγραφή που έκανε,  στον αντιπρόσωπο του Πάπα, για τις πρώτες παρατηρήσεις της Σελήνης, του Δία και του Γαλαξία με τη βοήθεια του τηλεσκοπίου είναι ένα από τα ομορφότερα ντοκουμέντα στην ιστορία της επιστήμης.

Το τηλεσκόπιο φυσικό ήταν να βελτιώσει πολύ την ακρίβεια της αστρονομίας και να ανοίξει τον δρόμο για πολλές σημαντικές ανακαλύψεις. Το 1728 ο James Bradley ανακάλυψε την παρέκκλιση, την κυκλική αλλαγή στην φαινόμενη θέση ενός αστεριού, που οφείλεται στη γήινη τροχιακή ταχύτητα γύρω από τον Ήλιο και το 1838 ο Friedrich Bessel ανακάλυψε την παράλλαξη, τη μικρή αλλαγή στη θέση των κοντινότερων αστεριών όπως φαίνεται από τις αντίθετες πλευρές της γήινης τροχιάς.

Δεξιά: Ένα από τα πιο όμορφα νεφελώματα, το νεφέλωμα του Καρκίνου

Κι ενώ όλα αυτά συνέβαιναν στο παρατηρησιακό επίπεδο του Ηλιακού μας Συστήματος το 1750 ένας νεαρός ερασιτέχνης αστρονόμος ο Τόμας Ράιτ, δημοσίευσε μια θεωρία περί Σύμπαντος και του Γαλαξία μας μέσα σ' αυτό. Οι ιδέες του απέκτησαν γρήγορα περισσότερο κύρος λόγω της υποστήριξης που έδειξε σ' αυτές ο μεγάλος Γερμανός φιλόσοφος Ιμάνουελ Καντ (1724-1804). Οι Ράιτ και Καντ υποστήριζαν την υπόθεση ότι ο Γαλαξίας μας, που δίνει την εντύπωση ενός φωτισμένου ποταμού πάνω στο νυχτερινό ουρανό, ήταν μόνο ένας από τους κόσμους-νησιά που ήταν διάσπαρτοι στο Σύμπαν. Υποστήριζαν μάλιστα ότι όλα τα άστρα που μας είναι ορατά ανήκουν στο δικό μας Γαλαξία. Όλες αυτές οι υποθέσει που έκαναν οι δύο άντρες βασίστηκαν ομολογουμένως μόνο σε λίγες παρατηρήσεις αποτέλεσαν όμως τη βάση από την οποία προχώρησε αργότερα ο Ουίλιαμ Χέρσελ (1738-1822). Ο Χέρσελ ήταν μουσικός και σε νεαρή ηλικία, το 1757, μετακόμισε από το Ανόβερο στο Λονδίνο. Σε ηλικία 35 χρόνων αγόρασε ένα βιβλίο Αστρονομίας και έκτοτε έγινε ένθερμος θιασώτης της επιστήμης του ουρανού.

Ο Ουίλιαμ Χέρσελ, η επαγγελματική αστρονομική σταδιοδρομία του οποίου άρχισε μάλλον μετά από την ανακάλυψη του πλανήτη Ουρανού, ενώ δούλευε ως μουσικός στην αυλή του βασιλιά Γεωργίου ΙΙΙ, μπορούσε να αφιερώνει πολύ χρόνο στην έρευνα των νεφελωμάτων. Έβαλε τα θεμέλια για τη σύγχρονη αστροφυσική των νεφελωμάτων, αλλά δεν μπορούσε να αποφασίσει εάν τα νεφελώματα ήταν ανεξήγητα συστήματα αστεριών ή νέφη διαστρικού αερίου. Το 1800 Herschel έκανε μια άλλη ανακάλυψη, που ήταν το κλειδί για να ανοιχτεί ο δρόμος στην αστρονομία παρατηρήσεων με πολλά μήκη κύματος στον 20ό αιώνα. Βρήκε ότι ο ήλιος μας εξέπεμπε υπέρυθρη ακτινοβολία, πέρα από το κόκκινο άκρο του φάσματος. Μερικά έτη αργότερα ο Johann Ritter εμπνεύστηκε από αυτό το γεγονός για να ψάξει τη περιοχή του φωτός πέρα από το ιώδες άκρο του φάσματος, και ανακάλυψε έτσι την υπεριώδη ακτινοβολία.

Η αριστερή εικόνα είναι μια σημαντική φωτογραφία για την Αστρονομία και προέρχεται από τη συλλογή του Hubble. Το νεφέλωμα αυτό, η Κεφαλή του Ίππου (Horsehead Nebula), ένας πανέμορφος σχηματισμός, επιλέχτηκε το 2000, σαν η καλύτερη παρατήρηση, σε μια online ψηφοφορία που έγινε στο δίκτυο από σπουδαστές, καθηγητές και από ερασιτέχνες αλλά και από επαγγελματίες αστρονόμους.

Στα μέσα του 19ου αιώνα ήρθε το δεύτερο μεγάλο τεχνολογικό εργαλείο της αστροφυσικής, ο φασματογράφος. Έγινε αμέσως σαφές ότι μερικά από τα νεφελώματα, όπως το διάσημο στον Ωρίωνα, ήταν καυτά αεριώδη νέφη. Και το φάσμα της ατμόσφαιρας του ήλιου, που καταγράφηκε κατά τη διάρκεια μιας έκλειψης, αποκάλυψε την παρουσία ενός νέου στοιχείου, το ήλιο. Έναν αιώνα αργότερα, το ήλιο επρόκειτο να αποδειχθεί με μεγάλη κοσμολογική σημασία.

Και έτσι οι αστρονόμοι εισήλθαν στον 20ό αιώνα με έναν ορίζοντα μεγαλύτερο από αυτό του Αριστοτέλη, αλλά αυτό δεν ήταν τίποτα μπροστά σε αυτό που επρόκειτο να έρθει. Είχαν το τηλεσκόπιο και το φασματογράφο, τη νευτώνεια βαρύτητα και τις εφαρμογές της στις τροχιές του φεγγαριού και των πλανητών. Αλλά δυστυχώς δεν είχαν ακόμα στο οπλοστάσιό τους, καμία πραγματική αστροφυσική, καμία σχετικότητα, καμία κβαντική θεωρία και καμία πραγματική κοσμολογία.

Έτσι στο επόμενο άρθρο θα δώσουμε μόνο τα πιο επιφανειακά επιτεύγματα του 20ου αιώνα στην Αστροφυσική. 

ΜΕΡΟΣ 2ο Ο 20ος αιώνας των μεγάλων θεωριών