אסטרופיזיקה
היסטוריה

בני אדם עסקו בתצפיות בכוכבים במשך עשרות אלפי שנים, הרבה לפני ההיסטוריה המתועדת בכתב. משך אלפי שנים נחשבו השמיים, ובכלל זה השמש, הירח הכוכבים וכן תופעות שמימיות נוספות כמו עננים או ברקים כביטוי לרצונם של אלים ואלות – לדוגמה אל השמש, אלי ירח ואלי מזג אוויר. חשיבות הצפייה בכוכבים נבעה הן מהסברים מיסטיים כדרך לניבוי העתיד בצורה על טבעית אסטרולוגיה והן כדרך שימושית לעקוב אחר עונות השנה ואיתם תופעות כמו גשמים, שיטפונות או נדידת בעלי חיים. גם לאחר התפתחות ותחילת המדע אסטרונמיה נחשבה לענף נפרד ממדע הפיזיקה, והושפעה מתפיסות מיסטיות ודתיות שונות. בראיית העולם האריסטוטלית, המרחב השמימי, מעל הירח שויך לשלמות – גופים ברקיע נתפסו להיות כדורים מושלמים הנעים במסלולים מעגליים מושלמים – בזמן שהארצי נדמה מועד לחוסר שלמות; שתי הממלכות הללו נראו כלא קשורות זו לזו.
אריסטרכוס מסמוס (סביבות 250–310 לפני הספירה) היה הראשון לטעון שאת תנועת גרמי השמים ניתן להסביר על ידי מודל בו כוכבי הלכת במערכת השמש סובבים סביב השמש. בעולם הגאוצנטרי של אותם ימים, התאוריה ההליוצנטרית של אריסטרכוס נחשבה לכופרת במוסכמות, ולמשך מאות שנים ההשקפה לפיה כל גרמי השמיים סובבים סביב כדור הארץ, נותרה ללא עוררין. במאה ה-16 חידש את התאוריה האסטרונום ניקולאוס קופרניקוס, וב-1609 גילה גלילאו גליליי את ארבעת הירחים הבהירים ביותר של צדק ותיעד את מסלוליהם סביב כוכב הלכת, אשר סתרו את מערכת האמונות הגאוצנטרית של הכנסייה הקתולית באותם ימים. כדי להתחמק מעונש חמור הצהיר גלילאו שעבודתו היא מתמטיקה מופשטת, ולא יכולה להיחשב כפילוסופיה של הטבע (שם נרדף לפיזיקה), כלומר, אינה מעשית.
הזמינות של מידע תצפיתי מדויק (בעיקר מתצפיותיו של טיכו ברהה) הובילה לניסיונות למצוא תאוריה שתסביר את התצפיות. בתחילה, נתגלו רק חוקים ניסיוניים, כגון חוקי קפלר של תנועת כוכבי הלכת שנוסחו בתחילת המאה ה-17. מאוחר יותר באותה מאה שילב אייזק ניוטון בין חוקי קפלר לחוקי הדינמיקה של גלילאו, כאשר גילה כי אותם חוקים השולטים בתנועה על פני כדור הארץ, שולטים גם בתנועתם של גרמי השמים – כוכבי הלכת והירח. המכניקה השמימית היא השימוש בחוקי הכבידה וחוקי ניוטון להסברת חוקי קפלר והייתה האיחוד הראשון של ענפי האסטרונומיה והפיזיקה. בנוסף, המהפכה הקופרניקאית ערערה את הפיזיקה של אריסטו בהקשרים אחרים – כאשר נתפס העולם כמרכז היקום נתפסה הכבידה כתופעה שאין צורך לכאורה כל דבר שואף להגיע למרכז היקום, הסבר זה כבר לא הניח את הדעת, בנוסף המהפכה גרמה למהפכה מדעית בכך שהדגש של חוקרים היה יותר ויותר ביצוע ניוסיים, ניסוח חוקים מתמטיים וטענות לוגיות ופחות ניסוי להוכיח כי תאוריה מסוימת מתוארת ומתאימה לכתבי הקודש.
פרסום ספרו של ניוטון, היסודות המתמטיים של פילוסופיית הטבע, שינה את הניווט הימי מן הקצה אל הקצה. החל מ-1670, נמדד העולם כולו בציוד מדידה מודרני ובשעונים המדויקים ביותר שהיו בנמצא. הצורך בניווט מדויק, במיוחד בעידן התגליות הוביל לשיפור גדל והולך ברמת הדיוק של התצפיות האסטרונומיות מחד ושל כלי התצפית מאידך, ושיפור זה בתורו הניב כמות גדולה של מידע שהיה זמין למדענים.
בשלהי המאה ה-19 נתגלה שכאשר קרני אור מהשמש נשברות, ניתן להבחין במספר רב של קווי ספקטרום – אזורים בקשת הצבעים שבהם יש מעט אור או אין בכלל. ניסויים בגזים חמים הראו שאותם קווים מופיעים בספקטרום של גזים, וכל תבנית מתאימה ליסוד כימי ייחודי. בצורה זו הוכח שהיסודות הכימיים מהם מורכבת השמש הם כאלה שנמצאים גם על כדור הארץ. למעשה, היסוד הליום נתגלה לראשונה בספקטרום של השמש ורק לאחר מכן על כדור הארץ, ומכך נגזר שמו (הליו ביוונית – שמש). במהלך המאה ה-20, השתפר מדע הספקטרוסקופיה (חקירת קווי הספקטרום), בעיקר בעקבות התגבשותה של מכניקת הקוונטים, שהייתה נחוצה להבנת התצפיות האסטרונומיות והניסיוניות. בתחילה חשבו רוב המדענים על סמך קריאות אלה כי השמש עשויה בעיקר מברזל, ולא היה ברור מה גורם לשמש להמשיך לבעור במשך זמן כה רב. בשנת 1925 גילתה ססיליה פיין-גפושקין כי ניתן לקרוא את אותן קריאות בכמה צורות, וכי למעשה רוב השמש עשויה מימן. דברים אלו הובילו בהמשך למסקנה כי השמש בוערת בעקבות תהליכי היתוך גרעיני, וכי השמש עצמה כמו גם מערכת השמש קיימת כבר מיליארדי שנים.