אסטרונומיה

אַסְטְרוֹנוֹמְיָה (מיוונית: הלחם של המילים άστρον, אסטרון – כוכב, ו־νόμος, נומוס – חוק) היא ענף במדעי הטבע, החוקר באמצעות תצפיות וניתוחן את התנועה, המבנה, ההתהוות וההתפתחות של גרמי השמיים והיקום.

לאסטרונומיה הייתה השפעה גדולה לאורך השנים על תרבויות, 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 של אריסטו. במהפכות מדעיות רבות שימשה האסטרונומיה בסיס מרכזי, אחת מהבולטות שבהן היא תורת היחסות.

ייחוד נוסף של המדע האסטרונומי הוא תרומתם של אסטרונומים חובבים לחקר האסטרונומיה. תרומתם של האסטרונומים החובבים ניכרת בעיקר בגילוי אירועים חד פעמיים כמו סופרנובות, שביטים, אסטרואידים וכוכבים משתנים. עם התפתחות האינטרנט אסטרונומים חובבים מסייעים גם בנתוח תצפיות בפרויקטים כמו Galaxy Zoo.

עוד מאפיין ייחודי לאסטרונומיה הוא שבניגוד לשאר המדעים, האסטרונומיה כמעט אינה עוסקת בניסויים אלא בתצפיות. כמעט כל המחקר האסטרונומי נעשה באמצעות צפייה וניתוח של הספקטרום האלקטרומגנטי. יוצא מן הכלל הוא מחקר הירח, המאדים ומספר אסטרואידים שנעשה גם באמצעות דגימות קרקע.

הגדרה
אסטרונומיה היא שם כולל לכל מדעי החלל שעוסקים בתיאור גרמי השמים והיקום, הילוכם, מיקומם, הפיזיקה שלהם ויחסי הגומלין ביניהם. תחומים עיקריים שנכללים באסטרונומיה הם:
 קוסמולוגיה – סדר היקום כולו, מבנה היקום, ההיסטוריה שלו והתפתחותו העתידית.
 קוסמוגוניה – מדע היווצרות היקום. התייחסות מסודרת (לא מיתית) ראשונה לנושא נמצאת אצל הפילוסופים היוונים.
 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 למצוא מודל שיסביר את התצפיות. הפילוסופים היוונים ניסו לראשונה לתת הסבר למוצא היקום (קוסמוגוניה) ולמבנהו העכשווי (קוסמולוגיה). עם פרוץ המהפכה 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 בערך אסטרופיזיקה הרחבה בנושא, ודוגמאות לאסטרופיזיקה תצפיתית מול אסטרופיזיקה עיונית).

היסטוריה

האסטרונומיה היא, ככל הנראה, המדע העתיק ביותר. כבר בתקופת תרבויות קדומות ניתנה תשומת לב לתופעות אסטרונומיות בסיסיות כמו הזריחה והשקיעה, מופעי הירח, נטיית מסלול השמש בעונות השנה, השפעת נטיית השמש על אורך היום והלילה ומזג האוויר, תנועת כוכבי הלכת וסידור כוכבי השבת. הבנת תופעות אלו הייתה חשובה במעבר לחברה חקלאית – על פי התופעות האסטרונומיות יכלו בני האדם לדעת מתי לחרוש ומתי לזרוע. ישנם גם ממצאים ארכאולוגים המתעדים אירועים נדירים יותר כגון שביטים, ליקוי מאורות ואף נובות וסופר נובות. אם כי לרוב ממצאים אלו אינם מוחלטים.

העת העתיקה
עד לתקופתם של הפילוסופים היוונים ביוון הקלאסית שימשה האסטרונומיה הן כמדע תצפיתי, שסייע למשל לקבוע את לוח השנה, והן כבסיס לאסטרולוגיה שנחשבה אז חלק בלתי נפרד ממנה. גם כתבים אסטרונומיים מימיה האחרונים של ממלכת בבל, 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 כמו ליקויים. ממצא נוסף הוא מונומנט סטונהנג' 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 כגון נקודת השוויון ונקודת היפוך נקודות במסלולו של הירח ועוד.

איננו יודעים מתי החל חקר האסטרונומיה המסודר ומתי פעל האסטרונום הראשון, אולם ישנן עדויות ארכאולוגיות ברורות לעיסוק רציני באסטרונומיה ברמה גבוהה בתרבויות העתיקות ביותר, נמצאו לדוגמה עדויות לעיסוק באסטרונומיה מתקופת הפריחה של שומר (לפני כ־6,000 שנה), חוקרים שבדקו את קבוצות 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.

בבל העתיקה 
הלוח הבבלי (שמבוסס על לוח שומרי) מבוסס על מחזור ה"סארוס" – מחזור של ליקוי חמה (או לבנה) של 18 שנים ו־11 יום שהם 223 חודשים סינודים (ההפרש בין מולד 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 של מטון ולחישוביו של תאלס איש מילטוס. גם הלוח העברי בנוי על יסוד חישובים אלו. נמצאו לוחות תצפית שמפרטים את מיקומי השמש, הירח, כוכבי הלכת, ליקויים, נקודות היפוך, ולעיתים אף את זריחתו של סיריוס. הלוחות מתוארכים מסוף המאה השביעית לפסה"נ ועד למאה הראשונה לפסה"נ. הבבלים המציאו את גלגל המזלות המוכר וקבעו את תחילתו באלדברן שהיה אז בנקודת השוויון האביבי.

לאסטרולוגיה היה חלק חשוב בפיתוח האסטרונומיה הבבלית. היו להם אלים לכל כוכבי הלכת ואל לשמיים ולכוכבים. מצפי הכוכבים מוקמו כחלק מהמקדשים, וכהני הדת היו מנסים לחזות אירועים חשובים כמו עליית ונפילת מלכים. בסביבות המאה ה־5 לפסה"נ חישבו הבבלים ברמת דיוק מפליאה את אורך החודש הסינודי הממוצע – 29.530614 או 29.530594 יום 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.

המצרים הקדמונים 
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 של שנת 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 של כרונולוגיה היסטורית. בבניית הפירמידות במצרים ניכרים הישגיהם של המצרים באסטרונומיה. הן בכיוון המדויק לרוחות השמיים והן בכיוון אלמנטים שונים לאירועים אסטרונומיים כמו עמדות כוכבים בעונות השנה.

תרבות בני המאיה

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 מחזור נוגה 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.

יוון העתיקה ורומא 

ממסופוטמיה עברה גחלת האסטרונומיה לעולם ההלניסטי, שבו מוקד העיסוק השתנה מאירועים כגון ליקויי חמה ולבנה והפקת לוחות שנה למיפוי כיפת השמים ויצירת קטלוגים ותאוריות קוסמולוגיות. כתבים המיוחסים לאסטרונום אאודוקסוס 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, אלא נוקף במעגל קטן כמו ציר הסיבוב של סביבון.

בתקופה הרומאית חל קפאון באסטרונומיה, שבתקופה זו עיקר תפקידה היה ביישומה המעשי (לדעת מאמיניה באותה תקופה), האסטרולוגיה. ברבע השני של המאה השנייה לפני הספירה ערך היפרכוס קטלוג שכלל כ־1000 כוכבים, והצביע על אי דיוקים במודלים האסטרונומיים של מערכת השמש שהיו מקובלים בתקופתו. מעט מאוחר יותר התקין יוליוס קיסר, המנהיג הרומאי החשוב, לוח אחיד באימפריה הרומית, הוא הלוח היוליאני.

במאה השנייה לספירה ערך תלמי את המודל הגיאוצנטרי למידת דיוק גבוהה, ומודל זה משל בכיפה עד לימי גלילאו. החסות שהעניקה הכנסייה הקתולית למודל הרתיעה מחיפוש מודל שונה. מודל ההליוצנטרי ראשוני ולא מדויק היה קיים באותה עת אך נזנח ונשכח.

פיתוח המודל הגאוצנטרי

מקור השם גאוצנטרי הוא ביוונית: "גאו" – ארץ ו־"צנטרון" – מרכז. ניתן להבין מכך שמשמעות השם המודל הגאוצנטרי היא 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).

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 עד המאה ה־16. במחצית המאה, ב־1543 פורסם ספרו של קופרניקוס "על סיבובם של הספירות השמימיות" , 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 של קפלר, שאכן הביא את המודל הגיאוצנטרי לרמת דיוק שהותירה את מודל תלמי הרחק מאחור.

ימי הביניים
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 כמו 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, כמו אלו של יוהנס דה סקרובוסקו.

הרנסאנס והעת 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 (כמו 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 (כמו פיתוח עדשה אכרומטית) עזרו לגילוי המוני כוכבים, ותרמו לאין ערוך לקידום תחומי מדעים אחרים, כמו פיזיקה או אלקטרוניקה.

תגליות מרכזיות 
 מסלולי כוכבי הלכת (אליפטיקה) – יוהאנס קפלר (1605).
 גילוי ירחי צדק – גלילאו גליליי (1610).
 גילוי טבעות שבתאי – כריסטיאן הויגנס (1659).
 גילוי אורנוס – ויליאם הרשל (1781).
 גילוי כוכב הלכת נפטון – יוהאן גלה (1846).

המודל ההליוצנטרי

מקור השם הליוצנטרי ביוונית הוא הליוס (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 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 – 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 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 (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 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.

שני המודלים במבט קרטזיאני 
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 בחירת מרכז 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.

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.

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 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.

בראשית המאה ה־20 אלברט איינשטיין פיתח את תורת היחסות הפרטית בשל פער בהסבר תופעה אלקטרומגנטית של מוליך הנע בשדה מגנטי והזרם העובר בו-מטרתו הייתה להגדיר במדויק מושגי מרחב וזמן. בין המסקנות והיישומים שנבעו מתורה זו היו שקילות המסה והאנרגיה וקיומו האפשרי של אנטי–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 של כוח משיכה הדדית, אך איינשטיין האמין בקיומו של יקום סטטי ולכן הוסיף קבוע 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.

בראשית המאה ה־19 יוזף פראונהופר פיתח את הספקטרוסקופ. כאשר מצא הבדל בין ספקטרום האור הנפלט של סיריוס לספקטרום של כוכבי שבת אחרים, הוא יצר את תחום הספקטרוסקופיה הכוכבית (יישום ספקטרוסקופיה 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 שקצב התפשטות היקום אף מואץ וההסבר שנמצא לכך הוא קיומה של "אנרגיה אפלה", ועל כן הקבוע הקוסמולוגי נוסף בשנית לנוסחאות – זהו מודל למדא-CDM.האסטרונומית אנני ג'אמפ קאנון, אשר יחד עם צוותה סיווגה למעלה מרבע מיליון כוכבים לפי בהירותם, התפרסמה בזכות עבודתה על סיווג 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 המכונה הסדרה הראשית – מיקום הכוכבים על העקומה תלוי בגילם ובמסתם ההתחלתית. בשנות ה־40 הוכנס לשימוש סיווג ירקס המתחשב גם בהשפעת רדיוס הכוכב על הארתו. עבודות אלו תרמו להבנה של מחזור 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 גילוי קו המימן ב־1951, נוסד תחום ספקטרוסקופיית הרדיו. בשנות ה־40 נעשה ניסיון ליצור רדיו-אינטרפרומטר באמצעות אנטנה הסמוכה לים. בשנות ה־60 פורסמה שיטה לניתוח המידע המתקבל. ב־1965 הפיזיקאים ארנו פנזיאס ורוברט וילסון גילו באקראי את קרינת הרקע הקוסמית, תגלית שהכריעה לטובת תאוריית המפץ הגדול אל מול תאוריית המצב היציב שהוצעה כנגדה.

בעקבות פיתוח יכולת השיגור לחלל, שוגר לחלל טלסקופ האבל שתרם רבות לחקר החלל והערכת גיל היקום. אטמוספירת כדור הארץ חוסמת סוגים שונים של קרינה ולכן יש תצפיות שמתאפשרות רק מחוץ לאטמוספירה.

אימות תופעות שונות כגון קיומם של חלקיקים שנחזו לפי המודל הסטנדרטי כמו נייטרינו 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 Advanced LIGO, וב־11 בפברואר 2016 הכריזו ראשי התוכנית כי עמדו במשימתם וגילו גלי כבידה אשר נחזו לפי תורת 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 מסוג קוואזר, הרחוק מאיתנו 3.7 מיליארד שנות אור, שמפנה את הסילון שלו לכיווננו. כך למעשה נפתחה דרך חדשה לחקר היקום, בגילוי ומציאת מקורות אנרגיה גבוהה, וחקר האינטראקציה וההשפעה שלהם על היקום.

תצפיות אסטרונומיות 

מידע תצפיתי באסטרונומיה נאסף בכל תחומי הספקטרום האלקטרומגנטי, מגלי רדיו דרך הספקטרום 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. ניתוח ספקטרום בליעה וספקטרום פליטה של גרמי שמים נותן מידע רב על תכונותיהם הפיזיקליות כגון טמפרטורה, 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 של קוואזרים מסוגל לגרום להזזה של קווים מתחום העל סגול לתת אדום. דוגמה נוספת היא חקר אזורים מוסתרים בתחום הנראה, כגון ערפיליות יצירה או ליבת גלקסיית שביל 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 באמצעי תעופה שונים, החל מכדורים פורחים וכלה בחלליות.

להלן יפורטו שיטות התצפית באורכי הגל השונים.

הספקטרום הנראה

קרינת הרקע הקוסמית – תצפיות מיקרוגל 
קרינת הרקע הקוסמית באורכי גל שבין 1–2 מ"מ (150–300 גיגה-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 של לוויין המחקר WMAP, כאשר לוויין המחקר פלאנק (Planck Surveyor) ביצע מיפוי מדויק יותר. תצפיות קרקעיות מוסיפות מידע נוסף, למשל מפה של קיטוב הקרינה.

אורכי גל הקצרים מהתחום הנראה 
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). מאז שנות 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.

תחומי עיסוק

תחומים עיקריים 
האסטרונומיה המודרנית עוסקת בשלושה תחומים עיקריים, השלובים זה בזה:
 מערכת השמש: הרכבה של השמש והאופן שבו היא קורנת אנרגיה, הרכבם של כוכבי הלכת, הירחים שלהם וגופים קטנים יותר כגון האסטרואידים, והיווצרותה של מערכת השמש.
 גופים בחלל: כוכבים מאירים, הרכבם ומחזור החיים שלהם; גופים אחרים, כגון קוואזרים, ננסים חומים ולבנים, וחורים שחורים.
 מבנה הגלקסיות והיקום: ההיסטוריה של היקום המוקדם החל במפץ הגדול, היווצרות המבנים – גלקסיות, צבירי גלקסיות וצבירי-על, צפיפות היקום והרכבו.

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 באמצעות לוויינים.

כמו כן, החלה להתפתח גם אסטרונומיות שאינן מסתמכות על קרינה אלקטרומגנטית הרווחת למעשה מאז ראשית האסטרונומיה. לאור גילויים חדשים במאה השנים האחרונות, נפתחו שלושה סוגי אסטרונומיות חדשות – אסטרונומיית ניוטרינו, אסטרונומיית קרינה קוסמית ואסטרונומיית גלי כבידה, תחומים אלו נמצאים בתחילתם ומרבית הידע האסטרונומי מגיע מקרינה אלקטרומגנטית.

תתי תחומים ותחומים משיקים 
 אסטרוביולוגיה – חקר ההופעה והאבולוציה של המערכות הביולוגיות ביקום.
 אסטרומטריה – חקר המיקום של העצמים בשמים ושינויי המיקום שלהם.
 אסטרופיזיקה –חקר הפיזיקה של היקום
 קוסמולוגיה – חקר היקום כשלם והאבולוציה שלו.
 אסטרונומיה גלקטית – חקר המבנה והמרכיבים של גלקסיית שביל החלב
 אסטרונומיה חוץ גלקטית – חקר העצמים (בעיקר גלקסיות) מחוץ לגלקסיה שלנו.
 אבולוציית והיווצרות הגלקסיה – חקר היווצרות הגלקסיות והאבולוציה שלהן.
 גיאופיזיקה ומדעים פלנטריים – חקר כוכבי הלכת של מערכת השמש
 אסטרונומיה כוכבית – חקר הכוכבים.
 אבולוציה כוכבית – חקר אבולוציית הכוכבים מהיווצרותם עד לסופם כשאריות כוכבים.
 מחזור חייו של כוכב – שלבים בחייו של כוכב מהיווצרותו ועד דעיכתו.
 סלנוגרפיה – חקר פני הירח ומאפייניהם.
 אסטרונומיה היסטורית – מדע של ניתוח נתונים אסטרונומיים היסטוריים.
 אסטרופיזיקה חישובית – חקר בשיטות וכלי המחשוב שפותחו ושימוש במחקר האסטרופיזיקה.
 אסטרוסטטיסטיקה – מחקר רב–תחומי המשלב בין אסטרופיזיקה, ניתוח סטטיסטי וכריית נתונים.
 אסטרואינפורמטיקה – חקר המידע האסטרונומי באמצעות מחשב.

ישנם תחומים נוספים שיכולים להחשב כחלק מאסטרונומיה:
 ארכואסטרונומיה
 אסטרוכימיה

ביהדות 
ביהדות נודעה חשיבות רבה לעיסוק בחישובים האסטרונומיים, לצורך קביעת הלוח העברי וקביעת זמני חגי ישראל ומועדיו, שנקבעו עד אמצע תקופת האמוראים על סמך תצפיות בירח וחישובים אסטרונומיים. על פי חז"ל, ישנה גם מצווה לחשב תקופות ומזלות, דהיינו לעסוק בחישובים אסטרונומיים ("מזל" בארמית פירושו כוכב).

חכמי הסנהדרין היו חייבים להיות בקיאים באסטרונומיה, ובידיעותיהם השתמשו לצורך תפקידיהם בקידוש החודש ועיבור השנה. את ראשי 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: , 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, והלבנה אינה אמורה להיראות בארץ ישראל עד שש שעות אחרי המולד, ולכן עדים שראו את הלבנה מוקדם יותר אינם מהימנים. אך רבן גמליאל עצמו קיבל עדים כאלו, על סמך מסורת מאבותיו שלפעמים המולד האמיתי מתרחש לפני המולד הממוצע ולפעמים אחרי המולד הממוצע.

כמה מחכמי ישראל היו ידועים בבקיאותם בחכמת האסטרונומיה. האמורא שמואל העיד על עצמו שהוא בקי בשבילי הרקיע כמו בשבילי נהרדעא עירו, 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: חישוב ארבע התקופות; אורך שנת החמה הוא 365 יום ורבע (על פי ערובין נ"ה ע"א); שנת החמה ארוכה באחד עשר יום משנת הלבנה; ועוד.

ראו גם

 חקר החלל
 מבנה היקום
 התאוריה ההליוצנטרית

לקריאה נוספת
 מייקל הוסקין (עורך), היסטוריה של האסטרונומיה: מהפרה-היסטוריה עד ימינו, תרגום והערות: ד"ר יקי מנשנפרוינד, עריכה מדעית: ד"ר שאול קציר, הוצאת רסלינג, 2012.
 יגאל פת-אל, אסטרונומיה – מדריך להכרת השמיים, הוצאת קוסמוס טלסקופים, 1998, (מהדורה רביעית: 2011).
 פליקס דותן, אל הכוכבים – מאטומים עד חורים שחורים, הוצאת מאגנס, 2001.

קישורים חיצוניים

 האגודה הישראלית לאסטרונומיה
 המועדון האסטרונומי של אוניברסיטת תל אביב
ראשית מדע
 מבחר סרטונים בנושא
 אסטרונומיה - באתר "פרחי מדע"
 אסטרופדיה, האנציקלופדיה העברית לאסטרונומיה, אסטרופיזיקה וחקר החלל
 אתר המגזין Sky & Telescope (באנגלית)
 פורום אסטרונומיה ב-ynet
 פורום אסטרונומיה - בנענע
 פורום אסטרונומיה - Astronomia.co.il
 תמונת היום באסטרונומיה 
 שנת האסטרונומיה הבינלאומית 2009
כוכב עברי נולד - תלמידים ואנשי מקצוע בוחרים שמות עבריים לאוראנוס ונפטון
 שיעורי מבוא לאסטרונומיה, הערוץ האקדמי של אוניברסיטת חיפה
  "מגזין אסטרונומיה", גילוי כוכב לכת ננסי במערכת השמש מרץ 2014
 
  פרק 22 – על אסטרונומיה מקראית ומתמטיקה בבלית בפודקאסט דברי הימים בהגשת אילן אבקסיס
 מילון למונחי אסטרונומיה, תשל"ד, באתר האקדמיה ללשון העברית

הערות שוליים

מדעי החלל