מקור השם גאוצנטרי הוא ביוונית: גאו (=ארץ) וצנטרון (=מרכז). כלומר - ההשקפה לפיה כדור 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).
לפי המודל הגאוצנטרי 55 ספירות (Spheres) בדולח הכילו את השמש הכוכבים וכוכבי הלכת. עם זאת כיפת השמים לא צייתה למודל זה. כוכבי הלכת התנהגו בדרכים מוזרות: נעו קדימה ואחורה בצורה שנראתה בלתי צפויה. כדי להסביר זאת אריסטו טען שכוכבי הלכת נעים לא בדיוק לפי סיבוב הספירות אלא גם לפי סיבוב של ספירות קטנות יותר על הספירות: אפיציקלים. תלמי העמיק במדידותיו את המודל עם אפיציקלים על-גבי אפיציקלים בכמויות מרובות. הוא גם שינה את המרכז שסביבו סובבים הכוכבים מכדור הארץ לנקודה קרובה לו.
המודל הגאוצנטרי שרד עד המאה השש-עשרה והוחלף בהדרגה במודל ההליוצנטרי של קופרניקוס, גלילאו וקפלר.
אסטרונומיה בימי הביניים-שליטת המודל הגיאוצנטרי.
לאחר נפילת האימפריה הרומית עבר לפיד האסטרונומיה לערבים (עם עליית האסלאם) ולהודים ולסינים שקיבלו אותה דרך דרך 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 מערכת מתן שמות מסודרת - שמם ערבי. אחת המוטיבציות לכך הייתה שימוש בניווט אסטרונומי למסעות ימיים ואחד האמצעים שסייעו בידם הייתה המצאה יוונית בשם אצטרולב.
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 של בדה ונרביליס שימש לקביעת המועד המדויק של חג הפסחא) ומצד אסטרולוגים. במאה ה-12 משכילים אירופאים כדוגמת סילבסטר השני ערכו מסעות אל ספרד 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, כדוגמת אלו של יוהנס דה סקרובוסקו.
בארצות האסלאם פעלו מספר מרכזים לחקר הכוכבים. בין היתר ניתן לציין מצפה הכוכבים אולוג בג ומצפה הכוכבים הגדל בנבנה באיסטנבול בשנת 1577 שנוהלה על ידי מונאג'ים באשי אך נהרסה לאחר כמה שנים.
אסטרונומיה בעת החדשה.
בבוא הרנסאנס התפתחה רבות האסטרונומיה באיטליה, ומשם עברה לשאר אירופה הנוצרית. תגליותיהם של גלילאו גליליי וניקולאוס קופרניקוס, ויותר מכל - של יוהאנס 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 (כדוגמת קליידוסקופ 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 (כדוגמת פיתוח עדשה אכרומטית) עזרו לגילוי המוני כוכבים, ותרמו לאין ערוך לקידום תחומי מדעים אחרים, כדוגמת פיזיקה או אלקטרוניקה.
המודל ההליוצנטרי.
מקור השם הליוצנטרי הוא ביוונית הליוס (=שמש) וצנטרון (=מרכז), כלומר ההשקפה לפיה השמש במרכז. המודל, שנוגד את האינטואיציה (שהרי 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 ההודי אריבהאטה.
עם זאת רק במאות השש-עשרה והשבע עשרה המודל הועלה מחדש במערב על ידי קופרניקוס (בספרו שפורסם ב-1543) וגלילאו (אשר החל לתמוך בו בסביבות 1597) וזכה לביסוס מתמטי בעזרת קפלר שהתבסס על תצפיותיו המדויקות של טיכו ברהה. עם זאת, התאוריה לא התקבלה בברכה על ידי הכנסייה הקתולית, וקופרניקוס, שחשש ממנה, נמנע מפרסום עבודתו עוד בחייו. עבודתו 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 של טיכו 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 (כיום 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 השלים אייזק ניוטון עם עבודתו בנוגע לכוח הכבידה.
הכנסייה אימצה את המודל רק לאחר תצפיותיו של ג'יימס בראדלי במאה ה-18, כאשר הצליח לזהות היסט.
ביהדות.
בתנ"ך וחז"ל מוצגים הדברים באופן התואם למודל הגיאוצנטרי, וכך גם בדברי הראשונים. מפני כך, עם התפשטות קבלת המודל ההליוצנטרי היו שטענו שקבלתו מהווה כפירה בתורה ובדברי חז"ל. כנגד דעות אלו כתב החתם סופר כי אין בהן צדק, ואין בקבלת המודל ההליוצנטרי כפירה בתורה וחז"ל, היות שבהם תוארו הדברים בהתאמה למציאות שהייתה מוכרת באותם ימים, ולא במטרה לקבוע שכך היא דווקא המציאות.
בעקבות גילויה של תורת היחסות הפרטית, טען האדמו"ר מליובאוויטש כי שוב ניתן לחזור להבנת המקראות ודברי חז"ל כפשוטן, מאחר שנמצא שאין אפשרות להכריע מבחינה מדעית כאחד מהמודלים.
ערפיליות או גלקסיות נוספות?
בשלהי המאה ה-17 יזם האסטרונום הבריטי ויליאם 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 הוא שביל החלב - חגורה רחבה הנראית בעין בלתי מזוינת כענן זרחני בשמי הלילה.
אחרי שהרשל פרסם את תוצאותיו טבע הפילוסוף עמנואל קאנט את המונח גלקסיה. 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 לקטלג ערפיליות, 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 בשם אדווין האבל. האבל זיהה קפאיד באחת ה"ערפיליות", והסתייע בתוצאות מחקריה של האסטרונומית הנרייטה 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.
אמצעים חדשים, תאוריות מודרניות וחקר החלל בחזית המדע.
לאורך השנים שוכללו שיטות המחקר האסטרונומיות וגילויים חדשים תרמו לפיתוח התאוריות המדעיות שלהן הייתה השפעה על יישומים טכנולוגיים. במקביל, בדומה לתהליך שאירע עם גיבוש המודל ההליוצנטרי, פיזיקאים חתרו לגלות את "הגביע הקדוש" של המדע והוא התאוריה 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 כי האור הוא גם גל וגם חלקיק-הייתה לכך השלכה גם על חקר החלל. תצפיות החלל הפכו לשדה ניסויים גדול ושימשו גם לאישוש תאוריות על אבני הבניין הבסיסיות ביותר של החומר, היווצרות היקום ושאלת הצפוי לו.