Αστρονόμοι της Αναγέννησης

 Ο Νικόλαος Κοπέρνικος και το ηλιοκεντρικό του σύστημα

Ο πρώτος από τους φημισμένους αστρονόμους της Αναγέννησης ήταν ο Πολωνός Νικόλαος Κοπέρνικος (1473-1543), 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.

 ΟΚοπέρνικος παρατηρεί τον Ουρανό

Το 1496 πήγε στην Ιταλία για να σπουδάσει νομικά και ιατρική. Η γεωκεντρική αστρονομία περί τα τέλη του 15ου αιώνα αντιμετώπιζε αρκετές δυσκολίες. Κατ’ αρχάς το ημερολόγιο είχε απορυθμιστεί. Επιπλέον ο «εξισωτής» του Πτολεμαίου θεωρήθηκε ως μια «αφύσικη» περιπλοκή. Η τροχιά που υπολόγιζε για τη Σελήνη προϋπέθετε σημαντική αλλαγή στο φαινόμενο μέγεθος της κατά τη διάρκεια του μήνα, κάτι που φανερά δεν συνέβαινε. Γενικότερα το όλο περίπλοκο σύστημα του ως προς την τροχιά των πλανητών παρουσία αντιφάσεις. Ακόμα, το γεγονός πως η περίοδος περιφοράς του κάθε πλανήτη γύρω από Γη ήταν συνδεδεμένη με το ηλιακό έτος επίσης δημιουργούσε πρόβλημα.

Το 1503 ο Κοπέρνικος επέστρεψε στην Πολωνία για να υπηρετήσει ως κληρικός. Τα χαλαρά εκκλησιαστικά του καθήκοντα του επέτρεπαν να επικεντρώνει τη δραστηριότητα του στην αστρονομία. Έτσι αναμόρφωσε αποφασιστικά το σύστημα του Πτολεμαίου, καταργώντας τον ενοχλητικό εξισωτή του.

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.

Αριστερά: Στο ηλιοκεντρικό σύστημα του Κοπέρνικου όταν παρατηρούμε τους εξωτερικούς πλανήτες φαίνονται μερικές φορές να ‘γυρίζουν’ προσωρινά πίσω και μετά να κινούνται κανονικά. Έτσι εξηγήθηκε η ανάδρομος κίνηση χωρίς την ανάγκη επικύκλων όπως στο σύστημα του Πτολεμαίου.

Αντί λοιπόν ο Ήλιος να είναι ένας από τους επτά κινούμενους πλανήτες, τοποθετήθηκε στο κέντρο του πλανητικού συστήματος ενώ η Γη μετακινήθηκε και έγινε ο τρίτος πλανήτης του ηλιακού πια συστήματος. Τέλος η Σελήνη ανεξαρτητοποιήθηκε από τον Ήλιο και παρέμεινε σε τροχιά γύρω από τη Γη.

Ο Κοπέρνικος χώρισε τους πλανήτες σε δυο ομάδες: αυτούς που βρίσκονται στο εσωτερικό της γήινης τροχιάς και αυτούς που βρίσκονται στο εξωτερικό της. Καθόρισε την διάταξη των πλανητών η οποία στο πτολεμαϊκό σύστημα έμοιαζε αυθαίρετη. Οι αποστάσεις των πλανητών από τον Ήλιο καθώς και οι τροχιακές περίοδοι τους υπολογίστηκαν και αποδείχτηκε ότι συνδέονται αρμονικά. Η κίνηση της Γης έδωσε μια εύκολη ερμηνεία της ανάδρομης κίνησης του Άρη, του Δία και του Κρόνου.

Το 1543 – χρονολογία του θανάτου του Κοπέρνικου – εκδόθηκε το επαναστατικό του έργο De Revolutionibus, το οποίο υιοθετήθηκε άμεσα από όσους ενδιαφέρονταν να μελετήσουν τις θέσεις των πλανητών.

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 πιο αργός δρομέας σε έναν εξωτερικό διάδρομο στο στάδιο των αγώνων, έτσι και ο πιο μακρινός πλανήτης εμφανίζεται να κινείται προς τα πίσω σχετικά με τη Γη.

Το μοντέλο του Κοπέρνικου εξηγεί επίσης γιατί οι δύο πλανήτες που είναι πιο 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.

Ο Τύχων Μπράχε και το νόβα άστρο του

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 Tycho Brahc ήταν ένας Δανός αριστοκράτης και παρατηρητής του ουρανού που, χάρη στην οικονομική υποστήριξη του βασιλιά Φρειδερίκου του B’ έχτισε ένα καταπληκτικό αστεροσκοπείο στη νησίδα Βεν της Βαλτικής θάλασσας. O Tycho διαπίστωσε ότι οι πλανήτες δεν ακολουθούσαν τις τροχιές που είχε καθορίσει ο Κοπέρνικος και αποφάσισε να αφιερώσει τη ζωή του στη συστηματική παρατήρηση και καταγραφή των θέσεων των αστέρων και των πλανητών.

Την ανέφελη νύχτα της 11ης Νοεμβρίου 1572, ο Tycho παρατήρησε ένα νέο άστρο να φωτοβολεί στον αστερισμό της Κασσιόπειας. Παρακολούθησε τις αλλαγές στο χρώμα και τη λαμπρότητα του επί δεκαπέντε συνεχόμενους μήνες και δημοσίευσε τα συμπεράσματα του στο βιβλίο του Προγυμνάσματα. Αυτή η «νόβα» δεν ήταν στην πραγματικότητα ένα νέο άστρο. Ήταν ένας αστέρας που προϋπήρχε και που εξερράγη αυξάνοντας τρομακτικά τη λαμπρότητα του.

Η παρατήρηση του μεγάλου κομήτη του 1577 ήταν ακόμα πιο συναρπαστική. Ο Tychc προσπάθησε να μετρήσει την απόσταση του από τη Γη μελετώντας τη θέση του ως προς απομακρυσμένους αστέρες, όπως αυτή παρατηρήθηκε από διάφορους αστρονόμους ανά την Ευρώπη. Καθώς δεν παρατηρήθηκε καμιά «παράλλαξη» ο Tycho συμπέρανε πως ο κομήτης βρισκόταν πιο μακριά από τη Σελήνη. Ο Αριστοτέλης θεωρούσε τους κομήτες ως μετεωρολογικά αντικείμενα που κινούνται ακριβώς πάνω από τα σύννεφα. Ο Tycho απέδειξε ότι οι κομήτες κινούνται ανάμεσα στους πλανήτες. Η μεταβλητή λαμπρότητα και μορφή του μεγάλου κομήτη τον οδήγησε στο συμπέρασμα ότι η τροχιά του ήταν ελλειπτική κάτι που σήμαινε ότι θα έπρεπε να έχει διαπεράσει τις κρυστάλλινες σφαίρες που υποτίθεται ότι έφεραν τα ουράνια σώματα. Ο Tycho ισχυρίστηκε ότι αυτές οι σφαίρες δεν υπάρχουν και ότι οι πλανήτες μετακινούνται στο στερέωμα χωρίς κανένα στήριγμα.

Η εμμονή του Tycho να σχεδιάσει ένα μεγάλο, σταθερό και αξιοσημείωτα ακριβές όργανο παρατήρησης δια γυμνού οφθαλμού μετασχημάτισε την αντίληψη για τις αστρονομικές παρατηρήσεις. Επίσης, υπερηφανευόταν αδικαιολόγητα ότι ήταν και κοσμολόγος. To «τυχωνικό» του σύστημα ήταν ένα ελλιπές συντηρητικό σύστημα που ακροβατούσε ανάμεσα στο πτολεμαϊκό και το κοπερνίκειο: η Γη ακινητοποιήθηκε και πάλι, με τον Ήλιο και τη Σελήνη να περιφέρονται γύρω της ως δορυφόροι και τους υπόλοιπους πλανήτες να περιφέρονται ως δορυφόροι του Ήλιου.

Ο Γιόχαν Κέπλερ και οι νόμοι της κίνησης των πλανητών

Ο Johannes Kepler (1571 -1630) ένας ιδιοφυής Γερμανός που είχε πάθος για τα κάθε λογής μαθηματικά προβλήματα. 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.

Έτσι ο στόχος που έθεσε ήταν να κατανοήσει το σχήμα και το μέγεθος των πλανητικών τροχιών, καθώς και τη σχέση τους με τον απαιτούμενο χρόνο για την ολοκλήρωση μιας πλήρους περιφοράς.

Λόγω των θρησκευτικών διώξεων, ο Kepler, που ήταν Λουθηρανός έφυγε το 1598 από το Γκρατς της Αυστρίας και πήγε στην Πράγα για να συνεργαστεί με τον Tycho Brahe, τον οποίο και διαδέχτηκε ως Αυτοκρατορικός Μαθηματικός το 1601. Ο Tycho που ήταν ένας καταπληκτικός αστρονόμος παρατηρητής είχε κάνει αμέτρητες παρατηρήσεις, και γι αυτό ο Kepler επιχείρησε να ερμηνεύσει τις παρατηρήσεις του για τον Άρη. Ύστερα από επίπονη εργασία και αφού απέρριψε πολλά μοντέλα που διαφωνούσαν με τα ακριβή στοιχεία των παρατηρήσεων του Tycho, ο Kepler διαπίστωσε πως ο Άρης έχει μια ελλειπτική τροχιά, με τον Ήλιο στη μια του εστία.

Το δόγμα της κυκλικότητας των κινήσεων των πλανητών με σταθερές ταχύτητες, που είχε πρυτανεύσει στην ανάλυση των πλανητικών τροχιών επί 2.600 χρόνια είχε επιτέλους καταρρεύσει.

Υποστήριξε επίσης την ηλιοκεντρική άποψη του Κοπέρνικου για τον Κόσμο αλλά όπως είπαμε αφαίρεσε τις κυκλικές τροχιές των πλανητών. Όμως το μοντέλο αυτό δημιουργήθηκε μόνο αφού εξάντλησε κάθε συνδυασμό κυκλικών κινήσεων που θα μπορούσε να συλλάβει. 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 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.

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.

Αριστερά: Φαίνεται η ελλειπτική τροχιά της Γης γύρω από τον Ήλιο, που βρίσκεται στη μία εστία της έλλειψης. Επίσης, η επιβατική ακτίνα σε ίσους χρόνους κάνει ίσα εμβαδά

Η ελλειπτική τροχιά ήταν ο πρώτος νόμος του Κέπλερ. Αργότερα αντιμετώπισε το πρόβλημα των μεταβολών των ταχυτήτων των πλανητών. Ο δεύτερος νόμος περιγράφει το πώς η νοητή γραμμή που συνδέει τον πλανήτη με τον Ήλιο (επιβατική ακτίνα) σαρώνει σε ίσους χρόνους, ίσες επιφάνειες, κάτι που εξηγεί το γιατί ο πλανήτης κινείται γρηγορότερα όταν είναι πλησιέστερα στον Ήλιο. 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 – το τετράγωνο του ηλιακού έτους είναι ανάλογο του κύβου της μέσης απόστασης του από τον Ήλιο.

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. Ο τρίτος και τελευταίος νόμος του δημοσιεύτηκε το 1619, μέσα στο μυστικιστικό βιβλίο του De Harmonica Mundi.

Ο Kepler προσπάθησε επίσης να κατανοήσει τις δυνάμεις που προκαλούν τις πλανητικές κινήσεις, διατυπώνοντας τη λανθασμένη θέση ότι υπάρχει μαγνητική αλληλεπίδραση μεταξύ των πλανητών και του Ήλιου. Οι Ρουδολφιανοί του πίνακες τού 1627 ήταν οι πρώτοι σύγχρονοι αστρονομικοί πίνακες και χρησιμοποιούσαν τους λογαρίθμους τους οποίους μόλις είχε επινοήσει ο John Napier. Έδιναν στους αστρονόμους τη δυνατότητα να προβλέψουν τις θέσεις των πλανητών σε οποιαδήποτε χρονική στιγμή του παρελθόντος, του παρόντος ή του μέλλοντος και η καταπληκτική τους ακρίβεια εξασφάλισε στον Kepler μεγάλη φήμη.

Ο Γαλιλαίος Γαλιλέι και το τηλεσκόπιο του

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 (15 Φεβρουαρίου 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.

Το καλοκαίρι του 1609, όταν ο Γαλιλαίος βρισκόταν στη Βενετία, έμαθε ότι δυο Ολλανδοί είχαν συνδυάσει δυο κομμάτια καμπυλωμένο διαφανές γυαλί δημιουργώντας μια συσκευή που έκανε τα απομακρυσμένα αντικείμενα να φαίνονται κοντινά. Εκείνη την εποχή, οι κυρτοί φακοί ήταν ήδη σε χρήση επί 300 χρόνια και οι κοίλοι επί 150. Το φθινόπωρο του 1608, οι Hans Lippershey και Zacharias Janssen, δυο κατασκευαστές φακών που εργάζονταν στη σκιά ενός εργοστασίου παραγωγής γυαλιού στην Ολλανδία, κατασκεύασαν ανεξάρτητα ο ένας από τον άλλο τηλεσκόπια. Σε λίγους μήνες τα νέα είχαν κάνει το γύρο της Ευρώπης.

Ο Γαλιλαίος είχε και τις τεχνικές γνώσεις και το χάρισμα του αυτοσχεδιασμού. Μέχρι τον Αύγουστο του 1609 είχε κατασκευάσει ένα τηλεσκόπιο που μεγέθυνε τα αντικείμενα οκτώ φορές και μέχρι το τέλος του χρόνου το είχε βελτιώσει ώστε να μεγεθύνει στο εικοσαπλασιο. Αρχές Δεκεμβρίου του 1609 είχε ανακαλύψει ότι το φεγγάρι έχει βουνά και είχε μετρήσει το ύψος μερικών από αυτά. Περί τα μέσα Ιανουαρίου του 1610 είχε ανακαλύψει τέσσερις δορυφόρους γύρω από το Δία και τους είχε ονομάσει αστέρες των Μεδίκων προς τιμήν του Μεγάλου Δούκα Κόσιμο.

Παρατηρώντας τον Γαλαξία μας, συνειδητοποίησε ότι αυτό που στο γυμνό μάτι φαντάζει σαν νεφέλωμα αποτελείται στην πραγματικότητα από μυριάδες αστέρια. Έγινε σαφές ότι οι πλανήτες εμφανίζονται ως δίσκοι και ότι η Αφροδίτη έχει φάσεις όπως ακριβώς και η Σελήνη. Ακόμη ο Ήλιος, αντί να είναι το σύμβολο της τελειότητας όπως ισχυριζόταν ο Αριστοτέλης, ήταν γεμάτος κηλίδες και ατέλειες και περιστρεφόταν κάθε 25 μέρες γύρω από τον άξονα του.

Ο Γαλιλαίος έσπευσε να δημοσιεύσει τα συμπεράσματα του πριν τον προλάβουν άλλοι. Στις 13 Μαρτίου 1610 έστειλε ένα αντίγραφο του Sidereus Nuncius (ο αγγελιαφόρος των άστρων) στην αυλή της Φλωρεντίας. Μέχρι τις 19 Μαρτίου, 550 αντίγραφα είχαν τυπωθεί και πουληθεί.

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.

Ισαάκ Νεύτωνας και η μαθηματική στήριξη των κινήσεων των πλανητών

Την ίδια χρονιά που πέθανε ο Γαλιλαίος γεννήθηκε ίσως ο μεγαλύτερος επιστήμονας 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 Mathematica», που θεμελίωνε τον Παγκόσμιο Νόμο της Βαρύτητας.

Ως Λουκασιανός καθηγητής μαθηματικών στο Καίμπριτζ ο Νεύτωνας είχε εξασφαλίσει τη φήμη του πολύ πριν από τη δημοσίευση του κορυφαίου έργου του Principia Mathematica το 1687.

Το 1666, πέντε χρόνια μετά την εγγραφή του ως φοιτητή στο Κολέγιο Τρίνιτι, επινόησε το νόμο του αντιστρόφου τετραγώνου που περιγράφει τον τρόπο με τον οποίο οι βαρυτικές δυνάμεις που δρουν πάνω σε πλανήτες μειώνονται καθώς αυξάνουν οι αποστάσεις. άρχισε μάλιστα να υποψιάζεται ότι ο ίδιος νόμος εφαρμόζεται και στα μήλα που πέφτουν από τα δέντρα. Για να εκφράσει τις πλανητικές κινήσεις με μαθηματικό τρόπο, επινόησε τον απειροστικό λογισμό.

Το Principia Mathematica ενοποιεί τη γήινη μηχανική του Γαλιλαίου με την ουράνια μηχανική, που είχε προκύψει εμπειρικά από τους νόμους του Kepler. Ο παλαιότερος νόμος του αντιστρόφου τετραγώνου του Νεύτωνα αναφερόταν αποκλειστικά στη φυγόκεντρη δύναμη που υφίσταται ένας πλανήτης που περιφέρεται περί τον Ήλιο- στο έργο Principia Mathematica ο Νεύτωνας έδειξε πώς αυτή η δύναμη εξισορροπείται από μια ελκτική βαρυτική δύναμη που ασκείται – εξ αποστάσεως – μεταξύ του Ήλιου και του πλανήτη και απέδειξε ότι η τροχιά του πλανήτη οφείλει να είναι ελλειπτική.

Ένα από τα σπουδαιότερα έργα του ήταν ότι μας 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.

Ο Edmond Halley και ο περιοδικός κομήτης Halley

Στο περίφημο έργο του Principia Mathematica ο Ισαάκ Νεύτωνας είχε δείξει ότι μπορεί να υπολογιστεί η τροχιά ενός κομήτη, αν μετρηθεί με ακρίβεια η θέση του μέσα σε διάστημα δύο μηνών. Παρουσίασε μάλιστα την μέθοδο του χρησιμοποιώντας τον μεγάλο κομήτη του 1680. Όμως η τεχνική είναι αποτελεσματική μόνο με την προϋπόθεση ότι η τροχιά είναι παραβολική: δηλαδή αν υποτεθεί ότι ο κομήτης έρχεται από άπειρη απόσταση, διέρχεται από το ηλιακό μας σύστημα και επιστρέφει σε άπειρη απόσταση. Ο Νεύτωνας είχε στη διάθεση του αποθηκευμένα στοιχεία για 23 ακόμη κομήτες, ήταν όμως πολύ απασχολημένος ή πολύ βαριεστημένος για να ασχοληθεί με όλους αυτούς τους επίπονους υπολογισμούς. Τα στοιχεία παραδόθηκαν στον Λονδρέζο φίλο του Edmond Halley, στέλεχος της Βασιλικής Εταιρείας, ο οποίος τα χρησιμοποίησε κατάλληλα.

Έτσι, το 1696 ο Edmond Halley παρουσίασε μια εργασία στη Βασιλική Εταιρεία στην οποία περιείχε τις πιθανές τροχιές των κομητών του 1607, του 1618 και του 1682. Συμπέρανε μάλιστα ότι οι κομήτες 1607 και του 1682 ήταν επανεμφανίσεις του ίδιου ουράνιου σώματος.

Το 1705 ο Halley ήταν πια καθηγητής γεωμετρίας στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης και δημοσίευσε το περίφημο έργο του Astronomiae Cometicae Synopsis, όπου κατέγραψε κινήσεις 24 κομητών που μέχρι τότε είχαν θεωρηθεί παραβολικές. Παρατήρησε τώρα ότι ο κομήτης του 1531 (όπως παρατηρήθηκε από τον Petrus Apianus) είχε παρόμοια τροχιά με αυτούς του 1607 (όπως παρατηρήθηκε από τον Johannes Kepler) και του 1682, και έτσι κατέληξε στο συμπέρασμα ότι πρόκειται για τον ίδιο κομήτη που έχει μια κλειστή, πολύ επιμήκη ελλειπτική τροχιά γύρω από τον Ήλιο και που είναι ορατός μόνο όταν περνά κοντά Γη.

Η περίοδος επανεμφάνισης του είναι περίπου 76 χρόνια (η περίοδος αυτή έκτοτε τροποποιήθηκε στα 75-76 χρόνια). Ο Halley έγραψε: «Συνεπώς τολμώ να προβλέψω πως θα επιστρέψει το έτος 1758». Όντως επέστρεψε, και εμφανίστηκε για πρώτη φορά τη μέρα των Χριστουγέννων. Από τότε ονομάστηκε κομήτης του Halley.

Η επιστροφή του κομήτη απέδειξε περίτρανα ότι οι βαρυτικοί νόμοι του Νεύτωνα ισχύουν τουλάχιστον μέχρι τα απώτατα άκρα του πλανητικού μας συστήματος.

Την επιστροφή του κομήτη όμως είδε πρώτος στις 25 Δεκεμβρίου 1758 όχι ο Halley αλλά ο Johann Georg Palitzsch, ένας γερμανός αγρότης και ερασιτέχνης αστρονόμος, ενώ στις 13 Μαρτίου του 1759 πέρασε από το περιήλιο του με μια καθυστέρηση 618 ημερών, λόγω της έλξης που προκάλεσαν ο Δίας και ο Κρόνος. Ο ίδιος ο Halley δεν έζησε για να δει την επιστροφή του κομήτη, γιατί ήδη είχε πεθάνει το 1742.

Έτσι, ο κομήτης Halley ήταν ο πρώτος που αναγνωρίστηκε ως περιοδικός.

Ο William Herschel και η ανακάλυψη του Ουρανού

Κατά την αρχαιότητα είχαν παρατηρηθεί στον ουρανό επτά κινούμενα αντικείμενα: Σελήνη, ο Ήλιος, ο Ερμής, η Αφροδίτη, ο Άρης, ο Δίας και ο Κρόνος. Στις 13 Μάρτιοι 1781, προστέθηκε στη λίστα και ο Ουρανός, διπλασιάζοντας την ακτίνα του γνωστού πλανητικού συστήματος.

O William Herschel (1738 -1822) ήταν γερμανικής καταγωγής αλλά είχε εγκατασταθεί στην Αγγλία όπου έπαιζε εκκλησιαστικό όργανο στην Οκταγωνική Εκκλησία. Στον ελεύθερο χρόνο του άρχισε να κατασκευάζει κάτοπτρα τηλεσκοπίων χρησιμοποιώντας ένα κράμα χαλκού και ψευδαργύρου.

Το απόγευμα της Τρίτης 13 Μαρτίου 1781 βρισκόταν στον κήπο του σπιτιού του ένα ξύλινο τηλεσκόπιο που είχε κατασκευάσει μόνος του. Το κάτοπτρο είχε διάμετρο 15,7 εκατοστά και εστιακή απόσταση 2,13 μέτρα. O Herschel παρατηρούσε μια περιοχή του αστερισμού των Διδύμων ταξινομώντας τα άστρα ως προς τη λαμπρότητα τους σε μια προσπάθεια χαρτογράφησης του Γαλαξία μας.

Συγχρόνως κατέγραφε και όσα άλλα περίεργα αστρονομικά αντικείμενα παρατηρούσε. Κοντά στον αστέρα 1 Geminorum παρατήρησε έναν «αστέρα» που του φάνηκε λαμπρότερος και μεγαλύτερος από ότι συνήθως· υποπτεύθηκε πως πρόκειται για κομήτη. Αυξάνοντας συνεχώς τη μεγεθυντική ισχύ του τηλεσκοπίου του παρατηρούσε τον αστέρα να μεγαλώνει συνεχώς.

O Herschel έγραψε σε πολλούς αστρονόμους ανακοινώνοντας τους την ανακάλυψη του. Αυτοί έστρεψαν το τηλεσκόπιο τους στον ουρανό και διαπίστωσαν πως αντίθετα με  τους κομήτες, αυτό το νέο αντικείμενο μετακινούνταν αργά και σταθερά, ενώ επιπλέον δεν είχε κεφαλή και ουρά. Ο Andreas Lexel υπολόγισε ότι η τροχιά του ήταν σχεδόν κυκλική, με περίοδο 83 ετών περίπου. Ήταν σαφές πως επρόκειτο για πλανήτη.

Το 1782 ο Herschel πρότεινε ο νέος πλανήτης να ονομαστεί Georgium Sidus (το άστρο του Γεωργίου). Ο βασιλιάς Γεώργιος ο Γ ικανοποιήθηκε τόσο πολύ από την ανακάλυψη που διόρισε τον Herschel αστρονόμο της αυλής με μισθό £200 το χρόνο. Το 1850, ύοτερα από πρόταση του Γερμανού αστρονόμου Johann Bode, ο πλανήτης ονομάστηκε «Ουρανός» το όνομα του μυθολογικού πατέρα του Κρόνου.

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

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 μόνο το τηλεσκόπιο και τον 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.