Az ókori Kelet öntözéses földművelésen alapuló társadalmai a legkorábbi régészeti emlékek (babiloni határkövek, ékírásos agyagtáblák) alapján meglepően magas szintű csillagászati ismeretekkel bírtak. A csillagászat két fő szempont miatt lett vezető tudomány. Egyrészt, a folyók áradásának előrejelzéséhez, az öntözéses földműveléshez alapvető a pontos időmérés. Másrészt, számos kultúrában az égitesteknek (illetve azok mozgásának vagy aktuális pozícióinak) alapvető szerepe volt az adott nép vallási-mitológiai életében. A csillagjóslás (asztrológia) kialakulását pedig a jövő megismerésének ősi vágya motiválta.

Az ókori görög városállamokban a csillagászati ismereteknek elsősorban nem a mindennapi élet vagy a vallás alapfeltételeként, hanem a világ megismerését célzó törekvésekben volt fontos szerepe. Leginkább a különböző filozófiai iskolák hatása volt jelentős a tudomány fejlődésére, de néhány hellén csillagász megfigyelési eredményei is alapvető fontosságúak a csillagászat történetében.

A IX–XV. század közötti időszakban az arab népek művelték a legmagasabb szinten a csillagászatot. Az arab hódítás nyomán a felégetett alexandriai könyvtárból kimentett papirusztekercsek között ott volt Ptolemaiosz Szüntaxisz Matematiké című műve is. Ez arab fordítás után Almageszt néven terjedt el és vált ismertté mások – így az európaiak – számára is.

Az arabok főként a Hold mozgása iránt érdeklődtek, az iszlám vallás előírásai miatt. Több csillagvizsgálót építettek, ahol nagy méretű, korszerű műszerekkel követték nyomon a fényes, szabad szemmel látható égitesteket. Az Almagesztben közölt bolygópályákat saját megfigyeléseikkel vetették össze. Hamar rájöttek, hogy a ptolemaioszi táblázatok nem pontosak, a számítások folyamatos kiigazításokra szorulnak. Hosszú távú észleléseik eredményeképpen csillagkatalógusokat készítettek – sok fényesebb csillag (pl. Betelgeuze, Ras Algethi, Alcor, Mizar stb.) köznapi elnevezésére ma is az arab (illetve perzsa) eredetű formákat használjuk.

Leghíresebb csillagászaik Al Mammoun kalifa és Al Sufi (IX. sz.), Naseredin at Tusi (XIII. sz.) és Ulug bég (1394-1449) voltak – az utóbbi által alapított szamarkandi csillagvizsgáló, amelynek maradványai ma is állnak, korának egyik legfejlettebb tudományos színhelyeként működött.

A középkori Európában a keresztény vallás és hit szerepe megerősödött, egyúttal jelentős mértékben meghatározta a kor embereinek világnézetét. Bizonyos szempontból ez hátráltatta a tudomány fejlődését, mivel az Egyház sok esetben dogmatikus kinyilatkoztatásokat fogadott csak el a világ felépítése és keletkezése kapcsán, a változásokat pedig elutasította (néhány esetben üldözte is). Ez a szemlélet jól illeszkedett az Arisztotelész által leírt világképhez, mely szerint az égi szféra tökéletes, örök és változatlan. Ezt és a geocentrikus világnézetet keresztény filozófusok, teológusok (elsősorban Aquinói Szent Tamás, 1225–1274) a bibliai teremtéstörténet tudományos igazolásaként értelmezték, és a korabeli társadalom hivatalos világnézetévé formálták.

Azonban a tudományok művelése és fejlődése ebben a korban nagy részben szintén az Egyházhoz kapcsolódott. Az első egyetemek (melyek többségén a “ úgynevezett hét szabad művészet egyikeként asztronómiát is oktattak) jórészt egyházi alapításúak voltak, az oktatást tudós papok és szerzetesek végezték. Közülük többen messze megelőzték korukat, így pl. Albertus Magnus püspök (1193/1206–1280), aki a megismerést nem hit-, hanem észbeli dolognak tekintette, Roger Bacon (1214–1294), aki a tudományos munka legfontosabb részének a matematikai ismereteket és a kísérleteket nevezte, vagy Nicolaus Cusanus bíboros (1401–1464), aki szintén jelentős matematikai ismeretekkel bírt, és a Világmindenséget végtelen nagynak tekintette.

Az ókori világkép változtatására egyre fokozódott az igény, főként az időszámításban és az égitestek pozíciói-előrejelzéseiben tapasztalt pontatlanságok miatt. Akkoriban Európában a Julián-naptár volt érvényben, melyet még Julius Caesar utasítására dolgozott ki egy Sosigenes nevű egyiptomi csillagász a Kr. e. I. században. Ebben már kialakultak a jelenleg is használt, felváltva 30, illetve 31 napos hónapok, valamint a 365 napos (illetve négyévente, egy február végi plusz nap beiktatásával 366 napos) évek. Azonban egy év valójában kicsivel rövidebb, mint az ebből adódó 365,25 nap, ami így évszázadok alatt több napos elcsúszást eredményezett. Ezt már a 325-ös niceai zsinaton észlelték, de a végső reform csak 1582-ben, XIII. Gergely pápa rendelete nyomán lépett életbe (a Gergely-naptár fő újítása az volt, hogy minden olyan év, amely 100-zal osztható, de 400-zal nem, nem számít szökőévnek), egy Clavius nevű matematikus és egy Lilius nevű csillagász javaslatait felhasználva.

Az égitestek észlelt pozícióinak az előrejelzésektől való eltérése már a hajózásban, a navigációban is gondot okozott. X. Alfonz kasztíliai (spanyol) király ezért elrendelte a ptolemaioszi táblázatok korrigálását, melyek Alfonz- (vagy Alphonsin-)táblázatok néven 1272-ben készültek el. A következő nagy lépés Georg Peuerbach (1423–1461) német csillagász és matematikus Új bolygóelmélet (Theoricae novae planetarum) c. műve volt, melyben további korrekciókat közöl az égitestek pozíciószámításait illetően.

A könyvet Peuerbach korai halála miatt 1471-ben tanítványa, Johannes Müller (ismertebb nevén J. Regiomontanus, 1436–1476) adatta ki először. Regiomontanus fejezte be elhunyt mestere Almageszt-fordítását, és további – saját megfigyelésekkel is ellenőrzött - korrekciós számításokat végzett a csillagok pozícióiról. Ezeket a táblázatokat évtizedekig használták a hajósok (köztük Kolumbusz Kristóf is). Dolgozott Mátyás király udvari csillagászaként is, valamint ő alapította az első németországi csillagvizsgálót is, ahol csillagászati szögmérő eszközöket is készített. Érdekesség, hogy Clavius és Lilius előtt már egy évszázaddal korábban előállt naptármódosító javaslatokkal.

Bővebben a naptárak történetéről

A csillagászat művelése a régebbi időkből fennmaradt távol-keleti, illetve amerikai kultúrákban ebben az időszakban is fontos volt. 1054-ben például kínai csillagászok egy új "vendégcsillag" megjelenéséről tudósítottak a Tien-kuan (Bika) csillagképben. Az új égitest eleinte olyan fényes volt, hogy nappal is látszott, de fokozatosan halványodva egy év alatt eltűnt a megfigyelők szeme elől. Érdekes, hogy több távol-keleti forrás is részletesen leírja ezt a nagy feltűnést keltő égi eseményt, ugyanakkor európai feljegyzések egyáltalán nincsenek. Csak a XX. században derült fény arra, hogy az 1054-es vendégcsillag egy szupernóva volt: egy élete végén összeomló csillag hatalmas robbanásának voltak szemtanúi az akkori emberek. Azóta a robbanás helyén egy táguló gázfelhő, a Rák-köd figyelhető meg.

Lengyel pap, csillagász és matematikus. Nevéhez fűződik a Nap-középpontú (heliocentrikus) világrendszer első részletes kidolgozása. 1514-ben megjelent, Commentariolus c. munkájában az alábbi, új alapfelvetéseket rögzítette:

Kopernikusz részletes számításokkal is próbálta alátámasztani világrendszerét, melyeket fő művében, a De revolutionibus orbium coelestium (Az égi szférák körforgásairól) c. könyvben (mely végül halála után pár hónappal került kiadásra) mutatott be. Ezek azonban nem vezettek sikerre, mert mereven ragaszkodott a körpályákhoz, és csak rendkívül bonyolultan (Ptolemaiosz módszereit részben átvéve, 50 epiciklus felhasználásával) tudta leírni a bolygók mozgását. Ennek ellenére eredeti meglátásai fontos mérföldkövet jelentettek a csillagászat és a tudomány történetében.

Dán arisztokrata, párbajhős, II. Frigyes dán király udvari csillagásza. Nagyon pontos megfigyeléseket végzett szabad szemmel a Hven szigetén lévő Uraniborg nevű csillagvizsgálójában. Hamar kimutatta, hogy a megfigyelt bolygópozíciók eltérnek a táblázatokban közöltektől, tehát a ptolemaioszi világkép nem lehet helyes.

1572-ben, Európából elsőként, fényes szupernóvát fedezett fel a Cassiopeia csillagképben, amit Nova Stella-nak (új csillag) nevezett el. Megfigyelte, hogy az objektum nagyon lassan (kb. 1 év alatt) halványul el, és nem mozdul el a háttércsillagokhoz képest, mint a bolygók – vagyis jóval messzebb van azoknál, a csillagok szférájában, ahol – ezek szerint – szintén vannak változások! Ez egy erős cáfolata volt az arisztotelészi dogmáknak.

1577-ben egy üstököst figyelt meg. Megállapította, hogy a Nap felé közelítő üstökösnek át kellett volna törnie a bolygók kristályszféráit, aminek azonban semmi jelét nem tapasztalta. Ebből arra következtetett, hogy a kristályszférák nem léteznek. Évtizedeken át gyűjtötte a pontos bolygópozíciókat, különösen a Marsot észlelte gyakran.

A kopernikuszi világképet elutasította, mert nem tudta elfogadni a Föld mozgásának gondolatát. Helyette egy alternatív világképet dolgozott ki, amelyben a Föld mozdulatlan, körülötte kering a Hold és a Nap, de az összes többi bolygó a Nap körül kering.

Tycho Brahe (MCSE Csillagászattörténeti portál)

Német csillagász, a grazi egyetem matematika tanára, majd II. Rudolf udvari csillagásza Prágában. Már pályafutása elején felismerte a kopernikuszi modellben a bolygópályák sugarainak arányában mutatkozó szabályosságot, ezért kezdettől fogva a kopernikuszi heliocentrikus világrendszer hívévé vált. A prágai udvarban hozzájutott Tycho Brahe bolygómegfigyeléseihez, melyek tanulmányozásából megalkotta a bolygómozgás híres Kepler-féle törvényeit – ezek vetettek véget az évszázadokon át húzódó körpálya-dogmának, és az első helyes leírást szolgáltatták a Naprendszer égitestjeinek mozgásáról. Kepler élénk levelezést folytatott Galileivel, ennek hatására fordult később ő is a távcsöves megfigyelések felé. Nevéhez fűződik a két domború lencséből álló Kepler-távcső megalkotása (1611).

A Kepler-törvények:

I. A bolygók ellipszis alakú pályán keringenek, melynek egyik gyújtópontjában van a Nap.

II. A bolygó keringése során a bolygót és a Napot összekötő szakasz egyenlő idők alatt egyenlő területeket súrol.

III. Két bolygó keringési idejének négyzetei úgy aránylanak egymáshoz, mint a pályák fél nagytengelyeinek köbei.

Kepler, a lutheránus csillagász (MCSE Csillagászattörténeti portál)

Kepler és a Mars (MCSE Csillagászattörténeti portál)

Itáliai csillagász, természettudós és matematikus. 1609-ben távcsövet készített (Galilei-távcső: egy domború és egy homorú lencséből áll), és (dokumentáltan) elsőként használta az égitestek megfigyelésére. Megfigyelte a Hold hegyeit, krátereit és (általa "tengereknek" nevezett) síkságait. Felfedezte, hogy a Jupiter körül 4 hold kering (Galilei-holdak: Io, Europa, Ganimedes, Callisto), amivel szemléletesen alátámasztotta, hogy nem a Föld a középpontja az összes égitest mozgásának. Leírta, hogy a Vénusz a Holdhoz hasonló fázisokat mutat, a Tejút rengeteg csillagból áll, és általában távcsővel sokkal több égitest látható, mint szabad szemmel.

Hogy ő volt-e az első, aki távcsöves csillagászati megfigyeléseket végzett, nehéz eldönteni – de amiben bizonyítottan első volt, az a megfigyelések részletes és pontos leírása. Eredményeit a Sidereus Nuncius (Csillaghírnök, 1610) c. művében összegezte, melyet több kortársának is szétküldött (Johannes Kepler is ebből értesült Galilei felfedezéseiről).

Megfigyeléseivel a heliocentrikus rendszert szerette volna igazolni, ami kiváltotta a pápai Szentszék ellenkezését. Galilei válaszul megjelentette a Dialogo (Dialógusok a kétféle világrendszerről) c. könyvét (1632), amelyben síkra szállt a kopernikuszi új világrend védelmében, és kifigurázta az arisztotelészi tanokra épülő egyházi dogmákat. Az inkvizíció perbe fogta, 1633-ban elítélte, és visszavonatta vele tanait. Ezután házi őrizetben élt, élete utolsó éveiben megvakult - ebben jelentős szerepet játszott, hogy távcsövével éveken át rendszeresen vizsgálta a Napot (szeme világát elvesztette ugyan, de felfedezte, hogy a Napon foltok vannak, melyek helyzete és mérete folyamatosan változik).

Csillagászati eredményei mellett a testek mozgásával kapcsolatos kísérletei is jelentős felfedezésekre vezettek. Nevéhez fűződik a szabadesés törvényének megállapítása és a sebességek összeadási elvének (Galilei-féle relativitási elv) felismerése is.

Galileivel kapcsolatos írások a Természet Világa Feltárul a Világegyetem c. különszámában:

Vekerdi László: Piaci mendemondától a Csillaghírnökig

Horvai Ferenc: Az ég és a Föld találkozása. Hogyan látjuk Galilei munkásságát napjainkban?

Galileo Galilei: Csillaghírnök. Részletek (Csaba György Gábor fordítása)

Hetesi Zsolt: A Galilei-per tanulságai. A tudós igazsága és tévedése

A fentieken kívül érdemes még megemlíteni Giordano Bruno (1548–1600) itáliai szerzetes nevét, aki elsőként vetette fel, hogy a csillagok valójában ugyanolyanok, mint a Nap, csak sokkal távolabb vannak, és akár bolygók is keringhetnek körülöttük (Bruno ezt négyszáz évvel az első exobolygó felfedezése előtt jelentette ki!), valamint Christoph Scheiner (1573/75–1650) jezsuita atyát, aki Galileivel egyidőben figyelte meg a napfoltokat.

A távcső történetével kapcsolatos anyagok:

Valójában ki találta fel a távcsövet? (Fordította: Gesztesi Albert. ppt)

Bartha Lajos: Ki készítette az első távcsövet? (Meteor, 1993/3.)

René Descartes (1596–1650) francia filozófus és matematikus szerint a világ megismerése csak a matematika segítségével lehetséges. Az égitestek mozgását az általa kidolgozott örvényelmélettel próbálta magyarázni. Eszerint a világ egy folyadékszerű ősanyaggal van kitöltve, ami örvénylő mozgást végez. A Nap is egy ilyen örvény középpontja. A Nap körül örvénylő anyag magával sodorja a Földet és a többi bolygót. Az örvények időnként összeomlanak, ekkor az örvénymag elkezd sodródni a többi örvénymaghoz képest – ezekből lesznek az üstökösök.  Az örvényelméletről hamar kiderült, hogy nem egyezik a tapasztalattal, nincs összhangban a Kepler-törvényekkel, ennek ellenére sokáig fennmaradt mint hipotézis.

Isaac Newton (1643–1727) angol fizikus és matematikus, az angol  Királyi Akadémia (Royal Society) titkára, a tudománytörténet egyik legnagyobb alakja. A fizika és matematika területén számos új felfedezés kötődik nevéhez. Felismerte, hogy ugyanaz az erő (a gravitáció) felelős a Föld felé eső testek és a Nap körül keringő bolygók mozgásáért, képletbe foglalta a gravitációs erő törvényét. Megalkotta a testek mozgásának általános törvényeit, melyek azóta is a mechanika alaptételei (Newton-axiómák). Az általa felírt mozgásegyenlet megoldásával matematikai úton igazolta a bolygók ellipszispályáját és a többi Kepler-törvényt. Elméleti eredményeit a Philosophiae naturalis principia mathematica (A természetfilozófia matematikai alapjai) című fő művében jelentette meg.

A fény vizsgálatával is behatóan foglalkozott. Elképzelése szerint a fény nagyon gyorsan mozgó részecskékből (fotonokból) áll, melyet azóta számos kísérlet igazolt. Elsőként írta le, hogy az üvegprizma a napfényt a szivárvány színeire bontja. Megalkotta az egymással szembefordított homorú és síktükörből álló Newton-távcsövet, mely mentes a lencsés távcsövek színi hibáitól, és később a csillagászatban óriási előrelépést eredményezett.

A világ egészéről alkotott kozmológiai elképzelései is figyelemre méltóak. Szerinte a Világmindenség végtelen, és az anyag egyenletes sűrűséggel tölti ki. Ellenkező esetben ugyanis a gravitáció hatására minden anyag egy pontba húzódna össze, amit nem tapasztalunk. A Naprendszer jövőjének tanulmányozása során azt az eredményt kapta, hogy a bolygók a jelenlegi pályájukon nem maradhatnak hosszú ideig, ezért a Naprendszer néhány évszázad alatt felbomlik. Mivel ez már az akkori tapasztalatokkal is ellentmondott, arra a következtetésre jutott, hogy Isten jelenléte szükséges a bolygók pályán tartásához.

A matematika fejlődése lehetővé tette az égitestek mozgásának egyre pontosabb leírását, vagyis az égi mechanika kifejlődését. Newton elméletének felhasználásával kortársa és kollégája, Edmund Halley (1656–1742) angol csillagász üstökösök mozgását vizsgálta, és rájött, hogy pályájuk nagyon elnyúlt ellipszis – tehát időről időre visszatérnek! A róla elnevezett, 76 éves periódussal keringő Halley-üstökös visszatérését évre pontosan megjósolta, de az eseményt már nem érhette meg.

Az égimechanikai számítások legnagyobb alakja Pierre Simon Laplace (1749–1827) francia matematikus, elméleti fizikus volt. Továbbfejlesztette a Newton-féle mozgásegyenlet megoldásának matematikai módszerét több égitest mozgásának kiszámítására (ún. perturbációszámítás). Ennek segítségével sikerült igazolnia, hogy a Naprendszer égitestjei hosszabb ideig megtartják jelenlegi pályájukat, ellentétben Newton korábbi (hibás) eredményével.

Kidolgozott egy elképzelést a Naprendszer keletkezésére is: eszerint a Naprendszer egy lassan forgó ősköd összehúzódása során jött létre. Az összehúzódás miatt a forgás felgyorsult, a leszakadó külső részekből alakultak ki a bolygók, míg a középpontba tömörülő anyagból keletkezett a Nap (Laplace-féle ködhipotézis). Lényegében ma is hasonló mechanizmussal képzeljük el a Nap és a csillagok keletkezését.

Érdemes még megemlíteni Immanuel Kant (1724–1804) német filozófus nevét is, aki csillagászati (kozmológiai) kérdésekkel is foglalkozott, pl. a Naprendszer keletkezésével, mellyel kapcsolatban Laplace-hoz hasonló eredményre jutott.

Galilei első észlelései után az égbolt távcsöves megfigyelése rendszeres, rutinszerű tevékenységgé vált az európai csillagászok körében. Az európai országokban egyre több csillagvizsgálót alapítottak, melyeket már távcsövekkel szereltek fel. Ezek általában Kepler-féle lencsés távcsövek voltak, melyekkel a Holdat, a fényes bolygókat és üstökösöket tanulmányozták, de később megszülettek az első, komolyabb tükrös távcsövek is.

Johannes Hevel (Hevelius, 1611–1687) lengyel csillagász precíz észleléseket végzett a Hold, a Nap és a bolygók pozícióiról. Katalógusba rendezte az északi égboltról látható összes, 7 magnitúdónál fényesebb csillagot. Részletes Hold-térképet készített (Selenographia, 1647), a napfoltok megfigyelésének segítségével pedig becslést tudott adni a Nap forgási periódusára.

Giovanni Domenico Cassini (1625–1712) itáliai származású, francia csillagász fedezte fel a Jupiter Nagy Vörös Foltját (R. Hooke-kal egyidejűleg), differenciális rotációját és a forgás miatti lapultságát, valamint a Szaturnusz gyűrűjének egyik sötét rését, és a bolygó négy holdját (Tethys, Dione, Rhea, Iapetus). Nevét – többek között – a Szaturnusz rendszerében vizsgálódó Cassini-űrszonda is őrzi.

Christiaan Huygens (1629–1695) holland matematikus és fizikus elsősorban mint a hullámtan és az optika úttörő kutatója ismert, de emellett matematikai és csillagászati munkássága is nagyon jelentős. Ő fedezte fel a Szaturnusz Titan nevű holdját, és megállapította, hogy a bolygó gyűrűi apró szikladarabokból állhatnak. Az Orion-köd egyes tartományaiban csillagokat figyelt meg, valamint több kettőscsillagot és csillagködöt is felfedezett.

Olaf Römer (1644–1710) dán csillagász a Párizsi Obszervatórium munkatársaként végzett megfigyeléseket. A Jupiter-holdak keringési időtartamainak hosszú távú adataiban ciklikus (kb. 1 éves periódusú) eltéréseket tapasztalt, amelyeket – helyesen – a fény véges sebességének tulajdonított. A további megfigyelésekből a fény terjedési sebességére a ma ismert értékkel egyező nagyságrendű (kb. 200 000 km/s) eredményt kapott.

Francia csillagász, a párizsi Tengerészeti Obszervatórium munkatársa. Első feladata, a Halley-üstökös 1758-ra előrejelzett visszatérésének megfigyelése látványos kudarccal zárult számára, mivel főnöke hibás utasításait kellett követnie. Ezután egész életét új üstökösök felfedezésének szentelte. Távcsövével rendszeresen átvizsgálta az égboltot, üstökösök után vadászva. Munkájának eredményeként több mint 50 üstököst sikerült megfigyelnie, ebből 15-öt ő maga fedezett fel, amivel jelentősen hozzájárult az üstökösökről való ismeretekhez (1750-ig az emberiség összesen kb. 50 üstököst figyelt meg).

Elismerésül a francia és számos más európai ország Királyi Akadémiájának tagjává választották. Az utókor számára legjelentősebb felfedezései azonban nem az üstökösök, hanem az égi "ködfoltok" voltak, melyeket Messier maga csak "mellékterméknek" tekintett. Üstökösöket keresve Messier olyan objektumokra bukkant, melyek üstökösszerű, diffúz, ködszerű képet mutattak a távcsőben. Az üstökösöktől csak az különböztette meg őket, hogy nem mozogtak. Ezek pozícióját és egyéb adatait Messier táblázatokba foglalta, azért, hogy biztosan ne tévessze őket össze új üstökösökkel. A híres Messier-katalógusról csak később derült ki, hogy az abban szereplő objektumok újabb rejtélyeket és kihívásokat jelentenek a csillagászok számára.

Messier híres katalógusának első kiadása 1771-ben jelent meg, 45 objektum adataival. Az első kiegészítésre 1780-ban került sor, ekkor 23 új objektummal bővült a lista. A második kiegészítés Messier kollégája, Méchain nevéhez fűződik, ő további 35 új objektumot sorolt fel. Az objektumokat M betűvel és a katalógusbeli sorszámmal azonosítjuk (M1, M2, ..., M110).

A katalógusban szereplő főbb objektumtípusok:

Német származású angol csillagász, az angol Királyi Akadémia tagja. Tehetséges zenészként dolgozott, mikor néhány könyv elolvasása felkeltette a csillagászat iránti érdeklődését. Ezután zenészi pályafutását abbahagyva egyre komolyabban fordult a csillagászat felé.

Kezdettől fogva a távcsövek és távcsöves megfigyelések vonzották. Kísérletezni kezdett minél nagyobb saját távcsövek megalkotásával. Hamar rájött, hogy a Newton-féle tükrös távcsőből sokkal könnyebb nagyméretű műszert készíteni, mint az akkoriban szokásos lencsés távcsövekből. Hosszas próbálkozás után egy 6 méter hosszú, kb. fél méter tükörátmérőjű, és egy 12 méter hosszú, 1,2 méteres tükrű teleszkópot épített, melyek akkoriban a világ legnagyobb távcsövei voltak. Ezekkel látott neki az égbolt részletes felmérésének, melyben húga, Caroline Herschel (1750–1848), az első női üstökösfelfedező is nagy segítségére volt.

Először a Messier-katalógusból ismert objektumokkal foglalkozott. Rájött, hogy számos ezekhez hasonló objektum van az égbolton, kb. 2000 új "ködöt" fedezett fel. Kettőscsillagok megfigyeléseiből kimutatta, hogy a két csillag egymás körül ellipszispályán kering, látványosan igazolva a newtoni mechanika érvényességét a csillagok világában. 1781-ben (szerencsés véletlennek köszönhetően) felfedezett egy új, Szaturnusznál távolabbi bolygót, mely az Uránusz nevet kapta.

Fénytani kísérleteket is folytatott, ennek során rájött, hogy a Nap színképében a hő nagy része a látható szakaszon kívüli infravörös tartományba esik.  A Tejút csillagainak felméréséből a csillagok Nap körüli eloszlását kívánta tanulmányozni. Bár hibás feltevésekből indult ki, sikerült kimutatnia, hogy a csillagok nem gömbszimmetrikusan veszik körül a Napot, hanem lapos, korong alakzatot formálnak. Ez az eredmény vezetett később a Tejútrendszer korong alakjának és spirálszerkezetének felismerésére.

Fia, John Herschel (1792–1871) apja munkáját folytatva a déli féltekére (egész pontosan Dél-Afrikába) költözött, és a Jóreménység-fokánál alapított új csillagvizsgálóból a déli égbolt részletes felmérését végezte el.

Newton korábbi felfedezését, a napfény színekre bontását, a fizikusok laboratóriumi kísérleteikben sokféle formában alkalmazták és továbbfejlesztették. Joseph Fraunhofer (1787–1826) német optikus 1815-ben észrevette, hogy a Nap színképe rengeteg keskeny, sötét vonalat tartalmaz. A laboratóriumi gyertyák és különböző anyagok lángjai viszont nem ilyenek, ezeknek a színképei ugyanis fényes, világító vonalakból állnak.

E felfedezés óriási jelentőségére Gustav Kirchhoff (1827–1887) és Robert Bunsen (1811–1899) német tudósok bukkantak rá, mikor kimutatták, hogy a különböző kémiai elemek színképvonalai azonos helyen találhatók, mind a lángok, mind a Nap színképében. Ez alapján Kirchhoff és Bunsen számos ismert anyagot (vasat, nátriumot, kalciumot, magnéziumot és tucatnyi más elemet) azonosított a Nap színképében. Lehetővé vált az, amiről sokáig úgy vélték, abszolút lehetetlen: az égitestek anyagi összetételének meghatározása. 1866-ban egy új elemet, a héliumot először a Nap színképében azonosították (a Földön ezt az anyagot addig nem ismerték), később derült csak ki, hogy bolygónkon is fellelhető.

A színképelemzés hamar utat tört magának a csillagászatban és igen népszerű vizsgálati módszerré vált. Hamar kiderült, hogy a különböző objektumok teljesen eltérő színképeket mutatnak: a csillagok a Naphoz hasonló színképűek (színes háttér, sötét, ún. abszorpciós vonalak), a spirálködök úgyszintén, míg a diffúz ködök a lángok színképére hasonlítanak (sötét háttér, fényes, ún. emissziós vonalak). Ebből világossá vált, hogy a diffúz ködök nem csillagokból állnak, hanem ritka gáz alkotja őket, mint a laboratóriumi gázlámpákat. Ezen vizsgálatok fő úttörője az angol William Huggins (1842–1910) volt, de a csillagászati színképelemzés fejlődésében két híres magyar csillagász, Konkoly Thege Miklós (1842–1916) és Gothard Jenő (1857–1909) is fontos szerepet játszott.

Christian Doppler (1803–1853) osztrák fizikus 1842-ben vette észre, hogy a színképvonalak  kismértékben eltolódnak, ha a fényforrás és a megfigyelő egymáshoz képest mozog: közeledés esetén a kék felé, míg távolodás esetén a vörös felé. A Doppler-effektus csillagászati alkalmazhatóságára elsőként Hermann Vogel (1841–1907) német csillagász mutatott rá, aki igen precíz munkával sok csillag Földhöz viszonyított közeledését vagy távolodását mérte ki. Ezzel a módszerrel ugyan csupán a látóirányú mozgást lehet kimutatni, ennek jelentősége azonban óriási, mivel a nagyon távoli, Naprendszeren kívüli égitestek mozgásállapotáról egyébként semmi információnk nem lenne.

A csillagszínképek csoportosítását, osztályozását az amerikai Harvard Egyetem Obszervatóriumának munkatársai,  Edward Pickering (1846–1919) és Annie Cannon (1863–1941) dolgozták ki. 7 fő osztályt (O, B, A, F, G, K, M) és 3 mellékosztályt (R, N, S) határoztak meg a csillag színe, a vonalak száma és erőssége alapján: az O-tól az  M felé a csillagok egyre vörösebb színűek és egyre több vonal található a színképben. Később kiderült, hogy a Harvard-féle színképosztályok a csillagok felszíni hőmérséklet szerinti csoportosításának felelnek meg. A csillagszínképek megismerése nagyon fontos lépés volt a csillagfejlődés folyamatának megértésében.

A színképelemzés mellett a fotográfia elterjedése, ezzel együtt a csillagok fényességmérésének (fotometria) egyre pontosabbá válása is erősítette a csillagászat fejlődését. Utóbbit elsősorban a változócsillagok (az első ismert változó, a Mira fényváltozásait Fabricius már 1596-ban kimutatta) fényességének precíz mérése motiválta. A csillagok fényességének és – a színképek alapján becsült – hőmérsékletének mérési lehetőségei vezettek a modern asztrofizika megszületéséhez, melynek egyik első lépcsőfoka az Ejnar Hertzsprung (1873–1967) és Henry Norris Russell (1877–1957) által megalkotott Hertzsprung–Russell-diagram volt.

A newtoni mechanika, a mozgástörvények, a gravitációs törvény megismerése a csillagászok számára lehetőve tette új, korábban ismeretlen égitestek felfedezését, pályájuk kiszámítását. Az Uránusz felfedezését követő évtizedekben többen próbálkoztak az új bolygó pályájának meghatározásával, de a bolygó rendellenes mozgása miatt ez sokáig nem sikerült. Ezek után világossá vált, hogy az Uránuszon túl, a Naprendszer külső területein további bolygóknak kell lenniük, melyek gravitációja befolyásolja az Uránusz mozgását.

Az angol John C. Adams (1819–1892) és a francia Jean-Joseph Le Verrier (1811–1877) ki is számította az ismeretlen bolygó helyzetét. Eredményeiket  azonban sikertelenül próbálták hazájuk csillagászai között elfogadtatni. Az új bolygót végül 1846-ban a német Johann Gottfried Galle (1812–1910) találta meg (Le Verrier számításai alapján), amely a Neptunusz nevet kapta.

Néhány évtizeddel később a történet szinte megismétlődött. A Neptunusz észlelt pályazavarai miatt új bolygó keresésébe fogtak, de sokáig hiába keresték a nyomát. Az egyik legkitartóbb kutató az amerikai Percival Lowell (1855–1916), a Mars-csatornák megrögzött híve volt, aki tizenhárom évig kereste távcsövével a titokzatos planétát. Végül 1930-ban a szintén amerikai Clyde Tombaugh-nak (1906–1997) sikerült először lefotóznia a Plútó névre keresztelt égitestet, melyet a fotolemezeken való elmozdulások alapján azonosított (a Plútót végül 2006-ban törpebolygóvá minősítették).

A XIX. század elejétől kezdve sikerült egyre többet megtudni a Naprendszer kis égitestjeiről is. A bolygóholdakat és üstökösöket már korábban is ismerték, de 1801-ben Giuseppe Piazzinak (1746–1826) sikerült felfedezni a Mars és a Jupiter között húzódó kisbolygóöv legnagyobb tagját (az azóta szintén törpebolygónak besorolt) Cerest. Ez a felfedezés szintén célzott megfigyelések révén született, mivel a két bolygó közötti tartományba a Titius–Bode-szabály még jósolt egy égitestet. Bolygót ugyan nem, de számos aszteroidát sikerült találni az övezetben.

A Neptunuszon túl húzódó, másik kisbolygó-övezet létét az 1930-as és 1940-es években vetette fel F.C. Leonard, K.E. Edgeworth és Gerard Kuiper (1905–1973) – az utóbbi tudós tiszteletére elnevezett Kuiper-övben azóta már több mint ezer objektumot ismerünk (nagy részüket 1992 után fedezték fel), és a becslések szerint ennél is jóval több égitest lehet ott.

A Naprendszer legkülső tartományának számító, becslések szerint több milliárd kisbolygónak és üstökösmagnak helyet adó Oort-felhő létezését a XX. század közepén a holland Jan Oort (1900–1992) és az észt származású Ernst Öpik (1893–1985) vetette fel.

William Herschel első felmérését követően egyre többen vizsgálták a Nap és a környező csillagok távolságát, a csillagok Nap körüli elhelyezkedését. Általánosan elfogadottá vált az az elképzelés, hogy a Nap egy hatalmas csillagrendszer, a Tejútrendszer része (annak közepén található). Ennek pontos mérete, kiterjedése azonban sokáig homályban maradt.

A XX. század elején Jacobus Kapteyn (1851–1922) és Harlow Shapley (1885–1972) kapott először képet a Tejútrendszer valódi méreteiről. Kapteyn klasszikus csillagszámlálási és asztrometriai módszerekkel dolgozott. Számításai szerint a Galaxis Herschel elképzeléseihez hasonló, de átmérője mintegy 55 ezer fényév (ez kb. a fele a pontos értéknek). Felvetette, hogy ha a csillagközi térben gáz van, akkor annak bizonyos mennyiséget el kell nyelnie a csillagok által sugárzott fényből – mivel azonban megfigyelésekből nem tudta bizonyítani ennek létét, a csillagközi teret – hibásan – teljesen átlátszónak gondolta.

Shapley a gömbhalmazok távolságmérésével foglalkozott. Módszere az volt, hogy változócsillagokat keresett a gömbhalmazokban, majd látszó fényességüket és a fényváltozás periódusát megmérve, az akkoriban, Henrietta Leavitt (1868–1921) által felfedezett periódus-fényesség reláció segítségével kiszámította a változócsillagok (ezáltal az azokat tartalmazó halmaz) távolságát. Arra a megdöbbentő felfedezésre jutott, hogy a gömbhalmazok nagyon távoli, 20–30 ezer fényévre lévő objektumok, eloszlásuk pedig olyan, hogy a Tejút sávjában, a Nyilas csillagkép irányába tömörülnek. Shapley (helyesen) ebből arra következtetett, hogy ez a sűrűsödés jelöli ki a Tejútrendszer középpontját. A Nap tehát nem a középpont környékén helyezkedik el (mint azt Herschel és Kapteyn gondolta), hanem attól igen távol.

A fő kérdés az volt, hogy a spirálködök vajon közeli csillagszigetek vagy távoli galaxisok-e, és hogy a válasz alapján ténylegesen mekkora lehet a saját Galaxisunk mérete.

Ebben a kérdésben Kapteyn járt közelebb a valósághoz, mert szerinte a halvány spirálködök többsége a mi Galaxisunkhoz hasonló, távoli csillagváros, míg Shapley szerint minden látható objektum a Tejútrendszer része. 1920-ban került sor a nagy vitára, melyen a két felfogást Shapley, illetve Heber Curtis (1872–1942) képviselte.

Shapley szerint a gömbhalmazok távolsága alapján a Tejútrendszer óriási, ráadásul a halmazok forgása is megfigyelhető (ezt a kijelentését téves mérési eredményekre alapozta), tehát nem lehetnek nagyon távoli objektumok. Szintén érvelt az Andromeda-ködben feltűnő új csillaggal (S And, egy 1885-ben felfedezett szupernóva), ami szerinte szintén csak közelről látszhat.

Curtis helyesen érvelt amellett, hogy egy nagyon fényes csillag akár messziről is látszhat, illetve hogy a gömbhalmazok hibás távolságmérése vezetett Shapley eredményeihez, pedig valójában a Tejútrendszer jóval kisebb az általa gondoltnál.

Valódi győztese nem volt a vitának, mindketten kihagyták a számításaikból a csillagközi anyag fényelnyelő hatását – ezt  Robert Trumpler (1886–1956) svájci–amerikai csillagász igazolta 1930-ban. A végső döfést Shapley elméletének Edwin Hubble megfigyelései adták meg.

A XX. század csillagászati felfedezései közül az egyik legjelentősebb a spirálködök rejtélyének megoldása volt. A Messier és Herschel által leírt spirálködök mibenlétéről kétféle hipotézis alakult ki. Egyesek úgy vélték, ezek születőben lévő bolygórendszerek, belsejükben hamarosan új csillag alakul ki (ez a vélemény a Naprendszer kialakulására vonatkozó ún. Laplace-féle ködhipotézisre támaszkodott), míg mások úgy gondolták, a spirálködök távoli csillagszigetek (ők főleg Immanuel Kant filozófiai okfejtésére, az ún sziget-univerzum hipotézisre hivatkoztak). Olyan szaktekintélyek, mint pl. Harlow Shapley, a bolygórendszer-hipotézist támogatták. A vélemények ütköztetésére 1920-ban rendezték meg a "Nagy Vita" című konferenciát Washingtonban, ahol a vita végülis eldöntetlen maradt.

A rejtély megoldásának kulcsát a neves amerikai csillagász, Edwin Hubble (1889–1953) találta meg, aki a kaliforniai Wilson-hegyen az akkori legjobb csillagászati távcsövekkel dolgozhatott. Hubble speciális fényképezési eljárással csillagokat tudott azonosítani az egyik legismertebb spirálködben, az Androméda-ködben. Ezek között változócsillagokat is talált, és a Shapley-féle módszerrel meghatározta az objektum távolságát. Kiderült, hogy az Androméda-köd sokkal távolabb van, mint bármely gömbhalmaz, vagy akkor ismert égitest, távolsága több millió fényév. Ezzel bebizonyosodott, hogy a spirálködök nagyon távoli, óriási csillagrendszerek – azóta ezeket galaxisoknak nevezzük.

A Világegyetemet kezdetektől fogva végtelennek tartották, és ezt még olyan nagy tudósok sem tudták cáfolni, mint Newton. Wilhelm Olbers (1758–1840) német csillagász vetette fel híres kérdését (Olbers-paradoxon), mely szerint ha végtelen az Univerzum, akkor miért van éjszaka sötét? Ugyanis a newtoni világkép (a tér végtelen, az anyag egyenletesen sűrű) értelmében az égbolt minden irányában, minden pontjában csillagokat kellene látnunk. A paradoxont egy esetleges, a Világegyetemet kitöltő fényelnyelő anyag léte sem oldja fel, mert egy idő után ennek az anyagnak is sugároznia kellene. Tehát marad a nem végtelen Univerzum tényének elfogadása – ezt azonban csak a XX. század közepére sikerült egyértelműsíteni.

1929-ben Edwin Hubble újabb szenzációs felfedezést tett: kimutatta, hogy a galaxisok mindegyike vöröseltolódást mutat, azaz a színképében a sötét vonalak a vörös (hosszabb hullámhosszak) felé eltolódottak a laboratóriumi színképvonalakhoz képest. Ez arra utal, hogy minden galaxis távolodik a Földtől (Doppler-effektus). Hubble azt találta, hogy a távolodási sebesség (v) egyenesen arányos a galaxis távolságával; az arányossági tényező, H az ún. Hubble-állandó (mai értéke kb. 70 km/s/megaparszek). A Hubble-törvény megdöntötte az addig vélt, ún. nyugvó Univerzum hipotézist, és rávilágított, hogy a Világegyetem nem állandó, hanem tágulóban van.

A táguló Világegyetem első megfigyelési bizonyítéka nagy izgalmat keltett az elméleti fizikusok körében. Albert Einstein (1879–1955) általános relativitáselmélete alapján az 1920-as években számos "világmodellt" dolgoztak ki, melyek az Univerzum terének és anyagának struktúráját matematikai formában írják le. Alekszandr Fridman (1888–1925) és Georges Lemaitre (1894–1966) modelljei azt jósolták, hogy az Univerzum nem lehet statikus, hanem tágul, vagy összehúzódik. Ezt pl. maga Einstein sokáig nem tudta elfogadni, de Hubble felfedezése látványosan igazolta a táguló modellek helyességét.

Ebből világossá vált az is, hogy a Világegyetem véges életkorú, hiszen ha tágul, akkor korábban kisebb volt, tehát kellett lennie egy olyan pillanatnak, amikor a mérete végtelenül kicsiny. George Gamow (1904–1968) orosz származású amerikai fizikus szerint ebben a pillanatban történt az Ősrobbanás ("Big Bang", a "Nagy Bumm"), ezután az Univerzum tágulni kezdett, ami jelenleg is tart. Az Ősrobbanást követő percekben a Világmindenség nagyon sűrű és rendkívül forró volt, ekkor keletkezett a  jelenleg megfigyelhető hidrogén és a hélium jelentős része. Gamow megjósolta, hogy a korai, forró Univerzum kitöltő hőmérsékleti sugárzás mára ugyan igen alacsony hőmérsékletűvé hűlt le, de megfigyelhető. Ezt a kozmikus háttérsugárzást találták meg 1965-ben Arno Penzias (1933– ) és Robert W. Wilson (1936– ) amerikai fizikusok, akik felfedezésükért később fizikai Nobel-díjat kaptak.

Az Ősrobbanás és az Univerzum tágulása ma is a csillagászat legizgalmasabb kérdései közé tartozik. A COBE, majd a WMAP űrszondák vizsgálatai alapján sikerült egyre pontosabban feltárni a kozmikus háttérsugárzás jellemzőit – a talált százezred-milliomod nagyságrendű inhomogenitások vezethettek egykor a ma látható galaxisok és galaxishalmazok kialakulásához.

1997-ben a csillagászok távoli szupernóva-robbanásokból arra utaló jeleket találtak, hogy az Univerzum tágulása egyre gyorsuló ütemű. Ez a felfedezés teljesen ellentmondott a korábbi várakozásoknak (melyek mind azt jósolták, hogy a gravitáció fékező hatása miatt a tágulás egyre lassul), s jelenleg csak a rejtélyes sötét energia hipotézis szolgáltat rá megfelelő magyarázatot.