המכתש הגדול דדלוס בצד הרחוק שלהירח שצולם על ידי צוותאפולו 11. זו דוגמה לתצפית אסטרונומית שהתאפשרה בזכות שיגורן שלחלליות
אַסְטְרוֹנוֹמְיָה (מיוונית:הלחם של המילים άστρον,אסטרון – כוכב, ו־νόμος,נומוס – חוק; בעברית ארכאית:תְּכוּנָה[1]) היא ענף במדעי הטבע, החוקר באמצעות תצפיות וניתוחן את התנועה, המבנה, ההתהוות וההתפתחות שלגרמי השמיים והיקום.
בתולדות האנושות לאסטרונומיה הייתה השפעה גדולה עלתרבויות,אמונות ותפישות מדעיות. נמצאו ממצאים מרשימים עוד מהתקופה הפרהיסטורית המעידים על מרכזיות האסטרונומיה בחברות פרהיסטוריות. אמונות רבות העמידו במרכז האמונה היבטים אסטרונומיים, דוגמה לכך היא הפילוסופיה שלאריסטו. במהפכות מדעיות רבות שימשה האסטרונומיה מסד מרכזי, אחת מהבולטות שבהן היאתורת היחסות.
עוד מאפיין ייחודי לאסטרונומיה הוא שבניגוד לשאר המדעים, האסטרונומיה כמעט אינה עוסקת בניסויים אלא בתצפיות. כמעט כל המחקר האסטרונומי נעשה באמצעות צפייה וניתוח שלהספקטרום האלקטרומגנטי. יוצא מן הכלל הוא מחקרהירח, המאדים ומספראסטרואידים שנעשה גם באמצעות דגימות קרקע.
אסטרונומיה היא שם כולל לכלמדעי החלל שעוסקים בתיאור גרמי השמים והיקום, הילוכם, מיקומם, הפיזיקה שלהם ויחסי הגומלין ביניהם. תחומים עיקריים שנכללים באסטרונומיה הם:
אסטרומטריה – מיקום גרמי השמים, מרחקם, תנועתם וחוקיות תנועתם. לפעמים משתמשים במונח אסטרונומיה לתיאור תחום זה בלבד.
אסטרופיזיקה –פיזיקה של היקום ובפרט תכונות פיזיות של גרמי שמים ופעולות גומלין ביניהם.
עד לתקופת פריחת הפילוסופיה והמדע ביוון הקלאסית, העיסוק היה באסטרומטריה בלבד. העיסוק בקוסמוגוניה וקוסמולוגיה היה בממד המיתי בלבד ואין כל תעוד לניסיון למצואמודל שיסביר את התצפיות. הפילוסופים היוונים ניסו לראשונה לתת הסבר למוצא היקום (קוסמוגוניה) ולמבנהו העכשווי (קוסמולוגיה). עם פרוץהמהפכה המדעית נוסדה גם הפיזיקה המודרנית ואיתה גם נולד תחום האסטרופיזיקה.
מתחילת המאה ה־20 כל תחומי המחקר האסטרונומי הם, למעשה, ענפים של אסטרופיזיקה. יש המשתמשים במונחים אסטרונומיה ואסטרופיזיקה כמונחים מקבילים אחד לשני, ויש המשתמשים במונח אסטרונומיה לתיאור החלק התצפיתי ואילו במונח אסטרופיזיקה לחלק העיוני (ראו גם בערךאסטרופיזיקה הרחבה בנושא, ודוגמאות לאסטרופיזיקה תצפיתית מול אסטרופיזיקה עיונית).
רובו של פרק זה אינו כוללמקורות או הערות שוליים, וככל הנראה, הקיימים אינם מספקים. אנא שקלו לשפר אתאמינות הפרק באמצעות הבאת מקורות לדברים ושילובם בגוף הפרק בצורתהערות שוליים.
עד לתקופתם של הפילוסופים היוונים ביוון הקלאסית שימשה האסטרונומיה הן כמדע תצפיתי, שסייע למשל לקבוע אתלוח השנה, והן כבסיס לאסטרולוגיה שנחשבה אז חלק בלתי נפרד ממנה. גם כתבים אסטרונומיים מימיה האחרונים של ממלכתבבל, מן המאה השלישית או השנייה לפני הספירה, כוללים נתונים מספריים תצפיתיים, ללא רמז למודל שיוכל להסביר את התצפיות. ממצאים המעידים על תצפיות שיטתיות נמצאו במצרים,הודו,סין ומסופוטמיה. בכל המקומות הללו נעשו חישובים שחזו אירועים אסטרונומיים כמוליקויים. ממצא נוסף הוא מונומנטסטונהנג' שבאנגליה, שנבנה במהלך האלף השלישי לפנה"ס. החוקרים חלוקים האם האתר שימש כמצפה כוכבים אך מוסכם שהאבנים מוקמו על פי אירועים אסטרונומיים. עמודי האבן ממוקמים כך שניתן לחשב בעזרתם אירועים אסטרונומים כגוןנקודת השוויון ונקודת היפוך נקודות במסלולו שלהירח ועוד.
איננו יודעים מתי החל חקר האסטרונומיה המסודר ומתי פעל האסטרונום הראשון, אולם ישנן עדויותארכאולוגיות ברורות לעיסוק רציני באסטרונומיה ברמה גבוהה בתרבויות העתיקות ביותר, נמצאו לדוגמה עדויות לעיסוק באסטרונומיה מתקופת הפריחה שלשומר (לפני כ־6,000 שנה), חוקרים שבדקו אתקבוצות הכוכבים המקובלות בעולם העתיק, והשוו זאת לכוכבים הנראים בקווי רוחב שונים בתקופות שונות, שיערו כי החלוקה הראשונית של כוכבים בהירים לקבוצות נעשתה לראשונה לפני כ־4,800 שנה באזור קו רוחב 40°. יש יסוד לדבר שהחלוקה נעשתה בארם נהריים.
הלוח הבבלי (שמבוסס על לוחשומרי) מבוסס על מחזור ה"סארוס" – מחזור שלליקוי חמה (או לבנה) של 18שנים ו־11 יום שהם 223חודשים סינודים (ההפרש ביןמולד ירח אחד למשנהו). מחזור זה מאפשר קביעת לוח שמסנכרן חודשי ירח ושנות חמה ומעיד על לוחות תצפית מדויקים לאורך שנים רבות. מחזור זה היווה, ככל הנראה, בסיס למחזור המטוני שלמטון ולחישוביו שלתאלס איש מילטוס. גםהלוח העברי בנוי על יסוד חישובים אלו. נמצאו לוחות תצפית שמפרטים את מיקומי השמש, הירח, כוכבי הלכת, ליקויים, נקודות היפוך, ולעיתים אף את זריחתו שלסיריוס. הלוחות מתוארכים מסוף המאה השביעית לפסה"נ ועד למאה הראשונה לפסה"נ. הבבלים המציאו אתגלגל המזלות המוכר וקבעו את תחילתו באלדברן שהיה אז בנקודת השוויון האביבי.
לאסטרולוגיה היה חלק חשוב בפיתוח האסטרונומיה הבבלית. היו להםאלים לכל כוכבי הלכת ואל לשמיים ולכוכבים.מצפי הכוכבים מוקמו כחלק מהמקדשים, וכהני הדת היו מנסים לחזות אירועים חשובים כמו עליית ונפילתמלכים. בסביבות המאה ה־5 לפסה"נ חישבו הבבלים ברמת דיוק מפליאה את אורך החודש הסינודי הממוצע – 29.530614 או 29.530594יום לעומת הזמן המדויק שעמד על 29.530583 באותה התקופה. גם את אורך השנה הטרופית חשבו הבבלים כ־365.234 במקום 365.2422. רמת דיוק זו מפליאה בייחוד בהתחשב במכשירי המדידה הלא מדויקים שהיו באותה תקופה.
האסטרונומיה המצרית לא הגיעה, ככל הנראה, לאותה רמת התפתחות של זאת הבבלית, אך הייתה גם היא מפותחת מאוד. המצרים ידעו בשלב מוקדם למדי את ההבדל בין אורך שלשנת חמה (365.25 יום) לבין הלוח המצרי (365 יום). המצרים חישבו מחזור גדול שבו 1,461 שנים שלהם שוות ל-1,460 שנות חמה. על פי החישוב מחזורים גדולים כאלה התחילו בשנים 4,241, 2,781 ו־1,321 לפסה"נ. אין ראיות ברורות מתי התחיל הלוח, אבל ישנם כמה חוקרים שסבורים שהתאריך הראשון היה תחילת הלוח. אם השערה זו נכונה הרי שמדובר בתאריך הקדום ביותר הידוע שלכרונולוגיה היסטורית. בבנייתהפירמידות במצרים ניכרים הישגיהם של המצרים באסטרונומיה. הן בכיוון המדויק לרוחות השמיים והן בכיוון אלמנטים שונים לאירועים אסטרונומיים כמו עמדות כוכבים בעונות השנה.
מכל העולם העתיק, אלו שתוצאותיהם הכי מדויקות – ובהפרש משמעותי משל שאר בני זמנם – הם בני המאיה, מהמאה החמישית לפני הספירה.
אורך השנה הטרופית ע"פ חשבונם מדויק מאוד – הרבה יותר משל היוונים (סטיה של 18 שניות לשנה בלבד), אורך מחזור הירח די מדויק – 29 יום 12 שעות 44 דקות 1/3 26 שניות. אורך מחזורנוגה מדויק מאוד: 584 יום (היום ידוע לנו: 583.92). כמו כן הם היחידים שגילו, עוד לפני המצאת הטלסקופ, שערפילית אוריון (כסיל) היא מטושטשת ויש בה כוכבים מפוזרים ולא נקודה בודדת. גם הם חישבו את זמני ליקויי החמה והלבנה.
ממסופוטמיה עברה גחלת האסטרונומיה לעולם ההלניסטי, שבו מוקד העיסוק השתנה מאירועים כגוןליקויי חמה ולבנה והפקת לוחות שנה למיפויכיפת השמים ויצירת קטלוגים ותאוריות קוסמולוגיות. כתבים המיוחסים לאסטרונוםאאודוקסוס מקנידוס, מן המאה הרביעית לפני הספירה, כוללים מודל גיאוצנטרי, לפיו כדור הארץ היה במרכז וסביבו סבו השמים כולם. אצל אוודוקסוס, כל כוכב לכת נע כאילו הוא משובץ בכדור גדול שמרכזו מתלכד עם מרכז כדור הארץ, בעוד שהכדור סב על צירו. כדי להסביר את הנתונים האסטרונומיים, אוודוקסוס נאלץ להניח שציר הסיבוב עצמו אינו קבוע, אלאנוקף במעגל קטן כמו ציר הסיבוב שלסביבון.
בתקופה הרומאית חל קפאון באסטרונומיה, שבתקופה זו עיקר תפקידה היה ביישומה המעשי (לדעת מאמיניה באותה תקופה), האסטרולוגיה. ברבע השני של המאה השנייה לפני הספירה ערךהיפרכוס קטלוג שכלל כ־1000 כוכבים, והצביע על אי דיוקים במודלים האסטרונומיים של מערכת השמש שהיו מקובלים בתקופתו. מעט מאוחר יותר התקיןיוליוס קיסר, המנהיג הרומאי החשוב, לוח אחיד באימפריה הרומית, הואהלוח היוליאני.
במאה השנייה לספירה ערךתלמי אתהמודל הגיאוצנטרי למידת דיוק גבוהה, ומודל זה משל בכיפה עד לימיגלילאו. החסות שהעניקההכנסייה הקתולית למודל הרתיעה מחיפוש מודל שונה. מודל ההליוצנטרי ראשוני ולא מדויק היה קיים באותה עת אך נזנח ונשכח.
מקור השם גאוצנטרי הוא ביוונית: "גאו" – ארץ ו־"צנטרון" – מרכז. ניתן להבין מכך שמשמעות השם המודל הגאוצנטרי היא ההשקפה לפיהכדור הארץ במרכז, הוא מרכז היקום לפי מודל זה, כלומר:השמש,הירח, הכוכבים וכוכבי הלכת סובבים את כדור הארץ. לאחר גילוי צורתו הכמעט-כדורית של העולם על ידי היוונים נוצר מודל זה. מודל זה היה נפוץ בעולם ההלניסטי ורעיונות דומים לו היו נפוצים בשאר העולם (הודו העתיקה,סין העתיקה).
בנוסח הסופי של המודל הגאוצנטרי שניסח תלמי היו 55 ספירות (Spheres) בדולח הכילו את השמש הכוכבים וכוכבי הלכת. כוכבי הלכת נעו במסלול מעגלי, אך מרכז המעגל לא היה בדיוק כדור הארץ – תלמי הכניס רכיב שנקרא "דפראנט", שהוא המרחק ממרכז כדור הארץ אל מרכז המעגל שמתווה כוכב הלכת, בצירוף עם סיבוב של ספירות קטנות יותר על הספירות שאותם הוסיף לפני כן,אפיציקלים, שאותם הגה אריסטו. במודל של תלמי, המדויק הרבה יותר בתוצאותיו, היו אפיציקלים על גבי אפיציקלים בכמויות מרובות.
המודל הגאוצנטרי שלט ברמה עדהמאה ה־16. במחצית המאה, ב־1543 פורסם ספרו של קופרניקוס "על הקפות כיפות השמיים", בו קופרניקוס הציע מודל בו השמש במרכז, אך שימר את הרעיונות של תלמי בדבר הספירות ודפרנט עבור כל כוכב לכת. כמו כן מיקם קופרניקוס את הירח במסלול מעגלי סביב כדור הארץ. המודל של קופרניקוס היה מדויק פחות משל מודל תלמי, אך העובדה שהכנסייה הקתולית התייצבה וגיבתה את המודל של תלמי גרמה לכך שרבים שהתנגדו לכנסייה אמצו את מודל קופרניקוס, וגרסו שעם שיכלולים יוכיח עדיפות על המודל ההליוצנטרי של תלמי. מכת המוות למודל תלמי היו חוקיו שלקפלר, שאכן הביא את המודל הגיאוצנטרי לרמת דיוק שהותירה את מודל תלמי הרחק מאחור.
לאחר נפילתהאימפריה הרומית עבר לפיד האסטרונומיה לערבים (עם עליית האסלאם) ולהודים ולסינים שקיבלו אותה דרךדרך המשי. בעוד ההודים והסינים, שעסקו באסטרונומיה עוד לפני זאת, לא פיתחו את האסטרונומיה במיוחד בתקופה זו, הערבים, שעד עליית האסלאם היו עם מפגר אחרי העמים שבסביבתו, החלו בתקופה זו במחקר אסטרונומי רב כפי שלא נראה עד אותה תקופה, ועד היום רוב הכוכבים שלהם שם שאינו תחת מערכתמתן שמות מסודרת - שמם ערבי. אחת המוטיבציות לכך הייתה שימוש בניווט אסטרונומי למסעות ימיים ואחד האמצעים שסייעו בידם הייתה המצאה יוונית בשםאצטרולב.
באירופה, הבקיאות בשפה היוונית התמעטה וכתבים מפורטים שנכתבו ביוונית על תחום האסטרונומיה הפכו לפחות נגישים ואת מקומם תפסו תקצירים או מאמרים ישומיים בלטינית. עיקר העניין באותה עת בתחום האסטרונומיה היה בהקשר של לוחות השנה וקביעת מועדי החגים הנוצריים (כך למשל, חיבור שלבדה ונרביליס שימש לקביעת המועד המדויק של חג הפסחא) ומצד אסטרולוגים. במאה ה–12 משכיליםאירופאים כמוסילבסטר השני ערכו מסעות אלספרד וסיציליה עקב השמועה על הידע הקיים בעולם הערבי הקשור לאסטרונומיה ועריכת לוח השנה ובפרט האצטרולב. כתבים בערבית ויוונית תורגמו ללטינית והעשירו את הידע באירופה, באוניברסיטאות שהחלו לקום באותה עת נלמדה גם אסטרונומיה וכתבים חדשים נוצרו, כמו אלו שליוהנס דה סקרובוסקו.
בבוא הרנסאנס התפתחה רבות האסטרונומיה באיטליה, ומשם עברה לשאר אירופה הנוצרית. תגליותיהם שלגלילאו גליליי וניקולאוס קופרניקוס, ויותר מכל – שליוהאנס קפלר פתחו את הצוהר לתאוריה החדשה של האסטרונומיה: התאוריה ההליוצנטרית לפיה השמש במרכז היקום וכדור הארץ ושאר גרמי השמים סבים סביבה.
באותן שנים גליליי שכלל את הטלסקופ והפך אותו מאביזר אשליה ושעשוע כפי שנתפס אז (כמוקליידוסקופ או חדר מראות) לכלי מדעי אמין וידידו הטוב ביותר של האסטרונום. המשכילים של אותה עת הביעו ספקנות רבה ועדיין חשדו כי מדובר באביזר אשליה, אך גליליי הציג את תגליותיו והצליח לבסס את התאוריה החדשה והטלסקופ הפך לכלי החשוב ביותר באסטרונומיה במאות הבאות. שכלול הטלסקופ והשיפורים שהוכנסו בו לאורך השנים (כמו פיתוחעדשה אכרומטית) עזרו לגילוי המוני כוכבים, ותרמו לאין ערוך לקידום תחומי מדעים אחרים, כמו פיזיקה אואלקטרוניקה.
מקור השם הליוצנטרי ביוונית הואהליוס (בעברית: שמש) וצנטרון, כלומר ההשקפה לפיה השמש במרכז. המודל נוגד האינטואיציה (הרי כשמסתכלים לשמי הלילה רואים את הכוכבים נעים) היה מוכר כבר ליוונים והועלה על ידי הפיתגוראים ואריסטרכוס. גם במאה החמישית מודל הליוצנטרי הוצע בהודו על ידי האסטרונום ההודיאריבהאטה.
עם זאת רק במאות השש עשרה והשבע עשרה המודל הועלה מחדש במערב על ידיקופרניקוס (בספרו שפורסם ב־1543) וגלילאו (אשר החל לתמוך בו בסביבות 1597) וזכה לביסוס מתמטי בעזרתקפלר שהתבסס על תצפיותיו המדויקות שלטיכו ברהה. עם זאת, התאוריה לא התקבלה בברכה – קופרניקוס שחשש מהכנסייה הקתולית נמנע מפרסום עבודתו עוד בחייו ועבודתו של גליליי שתמכה במודל ההליוצנטרי, התקבלה כביזוי האפיפיור, למרות קשריו הטובים עמו, והוא נאלץ לעמוד למשפט האינקוויזיציה ולשבת במעצר בית עד סוף חייו.
להתפתחות המודל ההליוצנטרי באירופה היו מספר שלבים: תחילה הופיע המודל של קופרניקוס בו כל מערכת השמש פרט לירח סובבת סביב השמש, לאחר זמן הופיע המודל שלטיכו ברהה לפיו השמש והירח מקיפים את כדור הארץ ושאר מערכת השמש מקיפה את השמש (משום שלא עמד לרשותו טלסקופ מתאים, לא הצליח לזהות היסט ולכן הניח שאין תנועת כוכבים). טיכו הצביע גם על קיומם של כוכב שביט וכוכב שבת נוסף (שכעת ידוע שהיה מדובר בסופרנובה), עובדה שמעידה על הדינמיות של השמיים, מה שסתר את הרעיון של גרמי השמיים שאינם משתנים, חלק מהמודל שהכנסייה הגנה עליו. גילוי ירחי צדק על ידי גלילאו בינואר 1610 יצר סדק נוסף במודל הגיאוצנטרי לפיו כל הגופים השמימיים מקיפים את הארץ.
בשני המודלים, ההליוצנטרי והטיכוניאני, תנועת ההקפה הייתה מעגלית לחלוטין, ולכן עדיין נדרשו המוני אפיציקלים כדי לתאום את המציאות. ב־1609 פורסמו בספרו של קפלר "האסטרונומיה החדשה", שניים מחוקי קפלר ולפי מודל זה, התנועה של הגופים השמימיים אליפטית ולכן התצפיות היו תואמות אפילו יותר משל המודל הגאוצנטרי. החוליה החסרה במודל הייתה הקשר בין אסטרונומיה לפיזיקה ואותה השליםאייזק ניוטון עם עבודתו בנוגע לכוח הכבידה.
הכנסייה אימצה את המודל רק לאחר תצפיותיו שלג'יימס בראדלי במאה ה־18, כאשר הצליח לזהות היסט.
כבר גלילאו טען שתיאור פיזיקלי אמיתי של המציאות חייב לכלול שיהיה נכון עבור כל מערכת שהיא, ובכלל זה שהתיאור יתאים ללא תלות בבחירת הגוף המרכזי במערכת פלנטרית. עיקרון זה נדחק לשוליים של המאבק להנחלת המודל ההליוצנטרי. למעשה ניתן לומר ששני הרעיונות נכונים – אך המודל ההליוצנטרי פשוט הרבה יותר בשל בחירתמרכז המסה של המערכת כנקודת הייחוס. ניתן לתיאור את מערכת השמש כנקודת המרכז נבחרת בכל מקום אחר – יהא זה כדור הארץ או אחד מירחי צדק. עם זאת ככל שהנקודה הנבחרת לתפקיד ראשית מערכת הצירים שרירותית יותר, כך ילך התיאור ויסתבך.
בשלהיהמאה ה־17 יזם האסטרונום הבריטיויליאם הרשל סקר שמים מקיף, אותו ביצע בטלסקופים שבנה במו ידיו. במסגרת הסקר בנה הרשל הערכה גסה של המבנה התלת־ממדי בו פזורים הכוכבים. הוא הופתע לגלות שכוכבי השמיים אינם מפוזרים באופן אחיד, אלא ערוכים במעין דיסקה שמרכזה נפוח, ומישור הדיסקה הואשביל החלב - חגורה רחבה הנראית בעין בלתי מזוינת כענן זרחני בשמי הלילה.
אחרי שהרשל פרסם את תוצאותיו טבע הפילוסוףעמנואל קאנט את המונחגלקסיה. קאנט שיער שקיימות גלקסיות רבות, בניגוד להרשל שסבר ששביל החלב הוא הגלקסיה היחידה ביקום, ולמעשה היא היקום כולו. מחלוקת זו, שהתפרסמה בשם המחלוקת הגדולה, שיסעה את עולם האסטרונומיה למשך יותר ממאה שנה, הרבה אחרי שקאנט והרשל הלכו לעולמם.
עם שיפור הטלסקופים החלו האסטרונומים לקטלגערפיליות, שהן גרמי שמים חיוורים. חלק מהערפיליות היו ללא מבנה מוגדר, אך אחרות נראו כדיסקה שמרכזה נפוח, בדומה למבנה שביל החלב. תומכי מחנה קאנט טענו שאלו אינן ערפיליות כלל, אלא גלקסיות אחרות, הנמצאות מחוץ לגלקסיית שביל החלב. מצדדיו של הרשל ענו שדמיון במבנה אינו מחייב זהות בממדים, וגרסו שאפשר שאלו מערכות שמש בשלב מוקדם של יצירתן. במקביל הצליחו למדוד מרחקים לכוכבים קרובים, אך ללא שיטה למדידת המרחק ל־"ערפיליות" דמויות הדיסקה לא ניתן היה ליישב את המחלוקת.
ההכרעה הגיעה רק בשנות העשרים של המאה ה־20, מתגלית של אסטרונום צעיר בשםאדווין האבל. האבל זיההקפאיד באחת ה־"ערפיליות", והסתייע בתוצאות מחקריה של האסטרונומיתהנרייטה ליוויט לחישוב המרחק לקפאיד זה. החשבון הניב תוצאה בת מאות אלפי שנות אור – בשני סדרי גודל מעל כל מרחק כוכבי שחושב קודם לכן – ולמעשה הוכח מעל כל ספק כי שביל החלב אינה הגלקסיה היחידה ביקום.
המאה ה־20: אמצעים חדשים, תאוריות מודרניות וחקר החלל בחזית המדע
לאורך השנים שוכללו שיטות המחקר האסטרונומיות וגילויים חדשים תרמו לפיתוח התאוריות המדעיות שלהן הייתה השפעה על יישומיםטכנולוגיים. במקביל, בדומה לתהליך שאירע עם גיבוש המודל ההליוצנטרי, פיזיקאים חתרו לגלות את "הגביע הקדוש" של המדע והואהתאוריה של הכול, איחוד תורות או תאוריות שונות מתחומים שונים לכאורה. כך למשל גילוי הקשר בין חשמל ומגנטיות, הקשר בין כוחות מגע בין חומרים לתגובות חשמליות בין חלקיקים, בין קשרים כימיים לכוחות חשמליים. התנהגות האור עצמו הייתה אפופה מסתורין – בתחילת המאה ה־20, נמצא כיהאור הוא גם גל וגם חלקיק – הייתה לכך השלכה גם עלחקר החלל. תצפיות החלל הפכו לשדה ניסויים גדול ושימשו גם לאישוש תאוריות על אבני הבניין הבסיסיות ביותר של החומר,היווצרות היקום ושאלת הצפוי לו.
בראשית המאה ה־20אלברט איינשטיין פיתח אתתורת היחסות הפרטית בשל פער בהסבר תופעהאלקטרומגנטית של מוליך הנע בשדה מגנטי והזרם העובר בו-מטרתו הייתה להגדיר במדויק מושגי מרחב וזמן. בין המסקנות והיישומים שנבעו מתורה זו היושקילות המסה והאנרגיה וקיומו האפשרי שלאנטי–חומר. תורה זו גם תרמה לתיאור נכון של תופעות במכניקת הקוונטים. לפי תאוריות הפיזיקה הקלאסית של ניוטון ומקסוול, הבדלים במהירות האור בתוך "אתר נושא האור" אמורים להיות קיימים בכיוונים שונים.ניסוי מייקלסון-מורלי שנועד למצוא הפרשים כאלו לא מצא הפרשי מהירות ובראייה לאחור, "כישלון" זה למעשה הוכיח את נכונות תורת היחסות הפרטית שאינה מניחה שאתר קיים. ההרחבה לתורה זו,תורת היחסות הכללית, מתייחסת גם לכבידה והשפעתה על המרחב והזמן. תורה זו חוזה את קיומם של חורים שחורים. מסקנה נוספת של תורה זו הייתה שהגלקסיות אמורות לנוע אחת אל השנייה בשל קיומו שלכוח משיכה הדדית, אך איינשטיין האמין בקיומו של יקום סטטי ולכן הוסיףקבוע קוסמולוגי, שמסמל כוח דחייה תאורטית בין הגלקסיות. תצפית אסטרונומית שנערכה ב־1919 בעת ליקוי חמה לכאורה הוכיחה את הסטת אור הכוכבים כפי שניתן היה לחזות.
בראשיתהמאה ה־19יוזף פראונהופר פיתח את הספקטרוסקופ. כאשר מצא הבדל בין ספקטרום האור הנפלט של סיריוס לספקטרום של כוכבי שבת אחרים, הוא יצר את תחום הספקטרוסקופיה הכוכבית (יישוםספקטרוסקופיה לגילוי הרכבם הכימי של הכוכבים, טמפרטורה, מהירות, צפיפות). ההתקדמות במכניקת קוונטים תרמה לפיתוח הספקטרוסקופיה. יישום חשוב לספקטרוסקופיה נמצא כמאה לאחר מכן – במהלך תצפיות במסגרת עבודתו במצפה הכוכבים בשנות העשרים של המאה ה־20, אדווין האבל גילה שהקרינה המגיעה מהגלקסיות המרוחקות מוסחת לאדום ולמעשה היקום מתפשט (ובעקבות כך איינשטיין הודה בטעותו והסיר את הקבוע הקוסמולוגי) ועל כן תאוריית המפץ הגדול נכונה בעיקרה. בסוף המאה ה־20 התגלה שקצבהתפשטות היקום אף מואץ וההסבר שנמצא לכך הוא קיומה של "אנרגיה אפלה", ועל כן הקבוע הקוסמולוגי נוסף בשנית לנוסחאות – זהומודל למדא-CDM. האסטרונומיתאנני ג'אמפ קאנון, אשר יחד עם צוותה סיווגה למעלה מרבע מיליון כוכבים לפי בהירותם, התפרסמה בזכות עבודתה עלסיווג ספקטרלי (סיווג הרווארד).דיאגרמת הרצשפרונג-ראסל, המתבססת על הסיווג הספקטרלי, קושרת בין בהירות המוחלטת של כוכב לבין טמפרטורת פני השטח שלו ומאפשרת לסווג את הכוכב ולהעריך את אורך חייו והשלב שבו הוא נמצא במחזור החיים שלו. לאורך הדיאגרמה ישנה עקומה המכונההסדרה הראשית – מיקום הכוכבים על העקומה תלוי בגילם ובמסתם ההתחלתית. בשנות ה־40 הוכנס לשימושסיווג ירקס המתחשב גם בהשפעתרדיוס הכוכב על הארתו. עבודות אלו תרמו להבנה שלמחזור החיים של כוכבים.
בשנות ה־30 של המאה ה־20, הודות להתפתחויות בטכנולוגיית הרדיו והמכ"ם החלו המדענים לחקור גם תחומים בספקטרום האלקטרומגנטי שאינם בתחום האור הנראה, ובפרט גלי רדיו (רדיו-אסטרונומיה). כמו במקרים רבים, הדבר התגלה במקרה על ידי קארל ג'נסקי בשנות ה־30, כאשר בנה אנטנה לשידור טרנסאטלנטי וחיפש גורמי רעש וגילה שאחד הגורמים מגיע מחוץ לכדור הארץ, במרכז גלקסיית שביל החלב. עם גילויקו המימן ב־1951, נוסד תחום ספקטרוסקופיית הרדיו. בשנות ה־40 נעשה ניסיון ליצוררדיו-אינטרפרומטר באמצעותאנטנה הסמוכה לים. בשנות ה־60 פורסמה שיטה לניתוח המידע המתקבל. ב־1965 הפיזיקאיםארנו פנזיאס ורוברט וילסון גילו באקראי אתקרינת הרקע הקוסמית, תגלית שהכריעה לטובת תאוריית המפץ הגדול אל מול תאורייתהמצב היציב שהוצעה כנגדה.
בעקבות פיתוח יכולת השיגור לחלל, שוגר לחללטלסקופ האבל שתרם רבות לחקר החלל והערכתגיל היקום. אטמוספירת כדור הארץ חוסמת סוגים שונים של קרינה ולכן יש תצפיות שמתאפשרות רק מחוץ לאטמוספירה.
אימות תופעות שונות כגון קיומם של חלקיקים שנחזו לפיהמודל הסטנדרטי כמונייטרינו עשויים לשמש בעתיד לפיתוח יכולות תצפית חדשות. מאידך, המודל הסטנדרטי תוקן בהתאם לתצפיות אסטרונומיות שגילו כי לנייטרינו יש מסה.
בספטמבר 2015 הופעל צמד של גלאי AdvancedLIGO[2], וב־11 בפברואר2016 הכריזו ראשי התוכנית כי עמדו במשימתם וגילו גלי כבידה[3] אשר נחזו לפיתורת היחסות הכללית. גילו גלי הכבידה פותח לראשונה את חקר היקום ופיתוח האסטרונומיה המודרנית, לפיזיקה שלא נוגעת לחומר ולאינטראקציה שלו עם הספקטרום האלקטרומגנטי (אמצעי ואופן המחקר עד להמצאת ובניית ה־LIGO).
ב־22 בספטמבר 2017, הגלאי נייטרינו גילה IceCube את IceCube-170922A, חלקיק נייטרינו באנרגיה של 290 טריליון אלקטרון וולט. לאחר תצפיות נמצא שמקורו בבלאזר,חור שחור מסוגקוואזר, הרחוק מאיתנו 3.7 מיליארדשנות אור, שמפנה את הסילון שלו לכיווננו. כך למעשה נפתחה דרך חדשה לחקר היקום, בגילוי ומציאת מקורות אנרגיה גבוהה, וחקר האינטראקציה וההשפעה שלהם על היקום[4].
גרף המתאר את כמות הקרינה של אורכי הגל השונים הנחסמת באטמוספירה
מידע תצפיתי באסטרונומיה נאסף בכל תחומיהספקטרום האלקטרומגנטי, מגלי רדיו דרךהספקטרום הנראה ועד לקרינת גמא. צפייה בטווחים שונים של הספקטרום נדרשת כדי לקבל תמונה רחבה של היקום. רוב גרמי השמים פולטים קרינה רק בחלקים מסוימים מטווח הספקטרום האלקטרומגנטי בגלל תהליכים פיזיקליים שונים. ניתוחספקטרום בליעה וספקטרום פליטה של גרמי שמים נותן מידע רב על תכונותיהם הפיזיקליות כגוןטמפרטורה, הרכב, מהירות, עוצמת שדה מגנטי ועוד.
ייחוד נוסף לשימוש בתחומים שונים של הספקטרום הוא התגברות על תהליכים פיזיקליים הגורמים לשינויים בספקטרום הנמדד ביחס לנפלט. לדוגמה,אפקט דופלר שלקוואזרים מסוגל לגרום להזזה של קווים מתחום העל סגול לתת אדום. דוגמה נוספת היא חקר אזורים מוסתרים בתחום הנראה, כגון ערפיליות יצירה או ליבת גלקסייתשביל החלב. פיזור האור על ידי ענני אבק בין כוכבי משפיע בעיקר על אורכי גל קצרים ולכן אפשר לצפות אל ליבת הגלקסיה רק באמצעות טלסקופי רדיו ותת אדום ולא באור הנראה.
אורכי הגל השונים של הספקטרום האלקטרומגנטי מצריכים אמצעי תצפית שונים, בעלי ייחודים שונים בעיצובם בבחירת החומרים ובמבנה שלהם. חלקים נרחבים מהתחומים הלא נראים של הספקטרום נחסמים בשכבות שונות של האטמוספירה וכדי למדוד אותם צריך להשתמש באמצעיתעופה שונים, החל מכדורים פורחים וכלה בחלליות.
קרינת הרקע הקוסמית באורכי גל שבין 1–2 מ"מ (150–300גיגה-הרץ) היא קרינה המגיעה מן החלל והיא כמעט אחידה מכל הכוונים. קרינת הרקע מספקת מידע רב מאוד על ראשית היקום, והיא אחת העדויות הראשיות למפץ הגדול. התצפיות מתבצעות מלוויינים, מטלסקופים שמוטסים על גבי כדורים פורחים ומטלסקופים קרקעיים הממוקמים על פסגות הרים ומקומות ייחודיים נוספים. התאוריה המקובלת על מקור קרינת הרקע הוא כי הקרינה מתארת את הרגע שבו היונים החיוביים והשליליים התחברו והפכו לאטומים נייטרליים, אז היקום הפך לשקוף לכל סוגי הקרינה האלקטרומגנטית, ולפני כן היה עשוי פלסמה שאינה מאפשרת מעבר אור. ההבדלים המזעריים בקרינה מכל כוון מספקים את התמונה של היקום כפי שהיה בעת ההיא, כ-380 אלף שנה לאחר המפץ הגדול. התצפיות מנסות למפות את התפלגות הקרינה באופן המדויק ביותר, בכל הכוונים בשמיים. המיפוי המקיף והמדויק ביותר נכון לשנת 2012 הוא שללוויין המחקר WMAP, כאשרלוויין המחקר פלאנק (Planck Surveyor) ביצע מיפוי מדויק יותר. תצפיות קרקעיות מוסיפות מידע נוסף, למשל מפה שלקיטוב הקרינה.
תצפיות באורכי הגל הקצרים:על-סגול,קרני רנטגן וקרני גמא מתבצעת כולה מאזורים גבוהים באטמוספירה או מהחלל משום שתחום קרינה זה נבלע באופן חזק ביותר באטמוספירה. כוכבים מסוימים מאירים גם בחלקים של האור העל סגול והרנטגן, אך תרומתם למראה היקום באורכי גל קצרים קטנה מאוד. תצפיות בתחומים אלו כוללות בעיקר תהליכים פיזיקליים אלימים הקשורים ללידה ומוות של כוכבים ואזורים פעילים בליבות גלקסיות. תצפיות בתחום הרנטגן הן של גופים בעלי טמפרטורה אופיינית של מיליון עד מאות מיליוני מעלות קלווין, כגון עצמים קומפקטיים ככוכבי נייטרונים או חומר בדיסקת ספיחה של חורים שחורים (אם כי החורים השחורים עצמם אינם מאירים כלל). מאזשנות ה־40 של המאה ה־20 ידוע כי גם השמש מאירה בעל סגול וברנטגן אך בצורה חלשה משמעותית מההארה בתחום האור הנראה. תצפיות בתחום קרינת הגמא בדומה לקרינת הרנטגן כוללות אירועים אלימים כסופרנובות, יצירת חורים שחורים וכן דעיכה של גרעינים כבדים.מתפרצי קרינת גמא הם האירועים האנרגטיים ביותר הידועים לנו, נכון לשנת 2020, משך שיא ההתפרצות עומד על עשרות שניות בודדות אך בזמן זה משתחררת כמות אנרגיה השווה לזו שתאיר השמש במשך כל חייה.
האסטרונומים משתמשים במגוון שיטות, בראש וראשונה תצפיות בטלסקופים אופטיים ורדיו-טלסקופים המותקנים במצפים שונים ברחבי העולם או על לוויינים המיוחדים לכך. על גופים במערכת השמש לומדים גם מצילומם מקרוב באמצעותלוויינים.
ביהדות נודעה חשיבות רבה לעיסוק בחישובים האסטרונומיים, לצורך קביעתהלוח העברי וקביעת זמניחגי ישראל ומועדיו, שנקבעו עד אמצע תקופת האמוראים על סמך תצפיות בירח וחישובים אסטרונומיים[5]. על פיחז"ל, ישנה גם מצווה לחשב תקופות ומזלות[6], דהיינו לעסוק בחישובים אסטרונומיים ("מזל" בארמית פירושו כוכב).
חכמי הסנהדרין היו חייבים להיות בקיאים באסטרונומיה, ובידיעותיהם השתמשו לצורך תפקידיהם בקידוש החודש ועיבור השנה. אתראשי החדשים קבעו על סמך עדים שהגיעו לבית הדין והעידו שראו את הלבנה החדשה, אך מהימנותם של העדים נבדקה על סמך ההיתכנות האסטרונומית לראיית הלבנה החדשה. בתלמוד מובאים כמה כללים שעל פיהם יכלו לאמת את נכונות העדות, כגון:”מעולם לא ראתה חמה פגימתה של לבנה”[7], כלומר, החלק החשוך של הירח (להבדיל מהצד הרחוק של הירח) לעולם לא יפנה לכיוון השמש (מכיוון שהשמש היא זאת שמאירה את הירח), ולכן עדים שהעידו שפגימת הלבנה פנתה לכיוון השמש איננה קבילה; המולד הממוצע (החודש הסינודי) הוא 29 יום 12 שעות ו־793/1080 של שעה, לאחר המולד הקודם[8], והלבנה אינה אמורה להיראות בארץ ישראל עד שש שעות אחרי המולד, ולכן עדים שראו את הלבנה מוקדם יותר אינם מהימנים. אךרבן גמליאל עצמו קיבל עדים כאלו, על סמך מסורת מאבותיו שלפעמים המולד האמיתי מתרחש לפני המולד הממוצע ולפעמים אחרי המולד הממוצע[9].
כמה מחכמי ישראל היו ידועים בבקיאותם בחכמת האסטרונומיה. האמוראשמואל העיד על עצמו שהוא בקי בשבילי הרקיע כמו בשבילינהרדעא עירו[10], ואף הרמב"ם הביא באריכות חישובים אסטרונומיים מורכבים כדי ללמד את מסלולי השמש והירח לצורך הלכות קידוש החודש (משנה תורה, ספר זמנים, הלכות קידוש החודש). בתלמוד אף הובאו כמה ידיעות אסטרונומיות, כגון: חישובארבע התקופות; אורך שנת החמה הוא 365 יום ורבע (על פיערובין נ"ה ע"א); שנת החמה ארוכה באחד עשר יום משנת הלבנה; ועוד.
^בתלמוד ניתן הסימן:כ"ט י"ב תשצ"ג. המספר סוטה בכחצי שנייה (או מעט פחות) ממולד הלבנה כפי שיודע כעת באסטרונומיה המודרנית. אם משקללים את האטת סיבוב הירח וכן את האטת סיבוב כדור הארץ במשך ה-2000 שנה האחרונות, הסטיה קטנה באופן משמעותי, עד ל-0.15 שניות. המספר היה ידוע כבר לכשדים מימי קידינו (המאה הרביעית לפני הספירה) וליוונים מהיפרכוס (המאה השנייה לפני הספירה).
