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All’inizio dei tempi l’astronomia si occupò unicamente dell’osservazione e della previsione dei movimenti degli oggetti celesti che potevano essere osservati ad occhio nudo dall’uomo e sulla loro origine. In alcuni luoghi, le prime civiltà costruirono enormi manufatti che avevano probabilmente scopi astronomici, oltre che essere usati a fini cerimoniali. Questi osservatori potrebbero essere stati utilizzati per determinare le stagioni, un fattore indispensabile per l’organizzazione della vita sociale ed agricola, nonché per la comprensione della lunghezza dell’anno. Prima dell’invenzione del telescopio i primi studi sulle stelle furono condotti a occhio nudo, come fecero in particolare le civiltà che vivevano in Mesopotamia, in Grecia, in Persia, in India, in Cina, in Egitto e in America centrale, che costruirono osservatori astronomici iniziando a esplorare la natura dell’universo. In realtà l’astronomia di quei tempi consisteva principalmente nel mappare la posizione di stelle e pianeti. Da queste osservazioni si formarono le prime teorie sui movimenti dei pianeti e sulla natura del Sole, della Luna e della Terra, che inizialmente si pensava fosse al centro dell’universo. Questa concezione dell’universo era nota come sistema geocentrico, o sistema tolemaico, dal nome dall’astronomo greco Claudio Tolomeo.
Di particolare importanza fu l’applicazione all’astronomia della matematica, che ebbe inizio con i Babilonesi, che fondarono le basi per tradizioni riprese successivamente da altre civiltà, scoprendo tra l’altro che le eclissi lunari ricorrevano secondo un ciclo ripetitivo conosciuto come saros, mentre all’astronomia egizia si deve il perfezionamento del calendario. Dopo i Babilonesi, significativi progressi astronomici avvennero in Grecia e nel mondo ellenistico, con l’astronomia greca volta alla ricerca di una spiegazione fisica razionale per i fenomeni celesti. Nel III secolo a.C., Aristarco di Samo stimò le dimensioni e la distanza di Luna e Sole, e fu il primo a proporre un modello eliocentrico del sistema solare, mentre nel II secolo a.C., Ipparco di Nicea scoprì la precessione degli equinozi, calcolò le dimensioni e la distanza della Luna e inventò uno dei primi strumenti stronomici, l’astrolabio. Ipparco creò anche un catalogo completo di 1020 stelle, e la maggior parte delle costellazioni dell’emisfero boreale furono definite dall’astronomia greca. La macchina di Anticitera (c. 150-80 a.C.) era un calcolatore meccanico progettato per conoscere la posizione del Sole, della Luna e dei pianeti a una determinata data. Manufatti di tale complessità non si rivedranno che nel XIV secolo, quando apparvero gli orologi astronomici meccanici in Europa.
Nel 964, l’astronomo persiano Azophi descrisse per primo la Galassia di Andromeda, la più grande galassia del Gruppo Locale, nel suo Libro delle stelle fisse . La supernova SN 1006, l’oggetto stellare più luminoso della storia, fu studiata dall’astronomo arabo egiziano Ali ibn Ridwan e da astronomi cinesi nel 1006. Alcuni astronomi islamici che diedero un contributo significativo all’astronomia furono Al-Battani, Thebit, Azophi, Albumasar, Biruni, Arzachel, Al-Birjandi, e gli astronomi degli osservatori di Maragheh e Samarcanda. Gli astronomi di quel periodo diedero molti nomi arabi tradizionali alle stelle, ancora in uso; si ritiene che le rovine di Great Zimbabwe e Timbuctù possano aver ospitato un osservatorio astronomico. Fino a poco tempo fa invece in Europa si pensava che non ci fosse stata nessuna osservazione astronomica nell’epoca precoloniale nell’Africa subsahariana.
La Chiesa cattolica romana diede un sostegno finanziario e sociale per lo studio dell’astronomia per oltre sei secoli, con la principale motivazione di trovare la data della Pasqua.
Il periodo (476-1492) , consegnava agli studiosi successivi un’immagine dell’universo fortemente radicata sulla concezione geocentrica del sistema tolemaico, dove Luna, Sole, pianeti e stelle apparivano in perenne movimento attorno ad una Terra ferma ed immutabile, che Eudosso ed Archimede interpretarono muoversi su un sistema di sfere concentriche. Iniziava lentamente ad affiorare un desiderio di conoscenza e di rinnovamento, che esprimeva una diffusa voglia di abbattere gli antichi dogmi sui quali per secoli si era basata la cultura mediterranea.