역사적으로 천문학은 역법, 천문항법, 점성술까지 수많은 분야를 포함했습니다. 천체의 움직임에서 가장 비중이 큰 힘은 중력이므로, 일반 상대론을 많이 이용합니다. 일반 상대론이란 중력을 상대론적으로 다루기 위해 알베르트 아인슈타인이 1915년에 발표한 물리 이론으로, 고전 이론에서 중력을 물체에 직접 작용하는 힘으로 이해했던 것과 달리 일반 상대성 이론에서는 중력을 시간과 공간이 얽힌 시공간의 기하학적 왜곡이 일으키는 현상으로 설명합니다. 이는 현대 물리학의 표준적인 중력 모델로 자리 잡아 현재 천체물리학과 우주론 분야에서 활발하게 응용됩니다. 천문학(天文學, 영어: astronomy), 또는 천체학은 별이나 행성, 혜성, 은하와 같은 천체와, 지구 대기의 바깥쪽으로부터 비롯된 현상을 연구하는 자연과학의 한 분야로 우주의 시작 및 진화, 천체의 운동, 물리, 화학, 기상, 진화 등을 연구 대상으로 합니다. 20세기에 들어와 천문학은 관측 분야와 이론 분야로 나뉘었는데 관측 천문학은 천체에 대한 자료를 얻고 물리적으로 분석하는 데 초점을 두고, 이론 천문학은 천체와 천문학적 현상들을 컴퓨터나 해석적인 방법으로 설명하는 모형을 세웁니다.
천문학의 영어 낱말 astronomy는 별을 의미하는 그리스어 Aston (ἄστρον)과 법칙, 문화를 뜻하는 nomos (νόμος)에서 유래했는데, 문자 그대로 "별의 법칙 의미합니다. 천문학과 점성술학은 공통된 근원을 공유하여 비슷해 보이지만 이제 완전히 구별됩니다.
천문학은 인간이 하늘에 대하여 관심을 가지면서 동·서양의 양쪽에서 가장 일찍 만들어진 학문 중의 하나입니다. 어떤 지역에서는 스톤헨지처럼 천문학적 목적을 가진 것으로 추정되는 거대한 유적이 건설되기도 했습니다. 제사 같은 종교적 목적 외에도 이러한 천문대들은 1년의 길이를 재거나, 매해 일정한 시기에 농사를 짓고, 수확하기 위해 하늘을 관측하는 데 쓰였을 것으로 추정됩니다. 동·서양을 떠나 농사와 날씨 예견 그리고 해양, 지리 관측과 측량이 그 주요 동기라고 볼 수 있습니다.
망원경이 발명되기 전에는 천문관측은 높은 건물 같은 곳에서 맨눈으로 볼 수밖에 없었습니다. 문명이 발전하며, 특히 메소포타미아, 중국, 이집트, 그리스, 인도, 마야 문명 등에서 천문대가 만들어졌고, 우주의 본질에 대한 연구가 시작되었습니다. 초기 천문학은 하늘에서 별과 행성들의 위치를 측정하는 것이 대부분을 차지한 측성학으로 알려졌습니다. 이러한 관측으로부터, 행성의 운동, 태양, 달, 지구의 본질에 관한 연구가 시작되었습니다. 이 당시에는 지구가 우주의 중심이며, 태양과 달은 지구를 중심으로 공전하고 있다고 믿어졌습니다.
역사적으로 특히 중요한 사건 중의 하나는 바빌론에서 수학·과학적 천문학이 시작된 것으로, 예로는 바빌론 천문학자들은 월식이 사로스라는 주기를 가지고 반복적으로 일어난다는 사실을 발견했고, 바빌론 천문학자들은 이후 다른 문명에서 발달할 천문학적 전통의 기반을 닦았다는 것입니다.
바빌론 이후의 천문학에서의 중요한 발전은 고대 그리스에서 이루어졌는데, 그리스 천문학은 천문 현상에 대해 이성적이고 물리적인 답을 구하려 했다는 특징이 있습니다. 기원전 2세기에는 히파르쿠스가 세차를 발견, 달의 크기와 거리를 계산하였으며, 아스트롤라베(astrolabe)라고 불리는 천문기구를 발명하였습니다. 기원전 3세기에는 측성학으로 알려진 그리스의 아리스타르코스가 지구의 크기를 계산하였고, 달과 태양까지의 상대적 거리를 측정하였습니다. 히파르쿠스는 또한 방대한 1020개 별의 목록을 작성했으며, 북반구의 대부분 별자리는 이러한 그리스 천문학에서 유래했습니다. 반면에 프톨레마이오스는 천동설을 주장하였고, 당시의 천문학을 집대성한〈알마게스트〉를 남겼습니다. 천동설은 기독교의 교리에 더 부합하였으므로, 중세에 들어서는 이 책은 천문학에서 가장 권위 있는 책으로 받아들여졌고, 코페르니쿠스가 등장하기 전까지 천동설이 널리 믿어지게 됩니다.
다른 자연과학 분야와 마찬가지로 천문학도 중세 유럽에서는 13세기까지 거의 정체되었지만, 이슬람과 다른 지역에서는 눈부신 발전을 거듭했습니다. 약 9세기 초에는 이슬람 지역의 최초 천문대가 등장했습니다. 964년에는 페르시아 천문학자 압드 알라흐만 알수피가 안드로메다은하를 발견하고, "Book of Fixed Star"라는 책에서 이에 관해 서술하였습니다. 역사상 기록된 가장 밝은 초신성인 SN 1006가 이집트 출신 아랍 천문학자인 알리 이븐 아비 탈리브와 중국의 천문학자들에 의해 1006년에 관측되었습니다. 이슬람 세계에서 천문학에 많은 기여를 한 유명한 천문학자로는 알바타니, 압드 알라흐만 알수피, 아부 마샤르 알바키, 비루니, 알비르잔디 등과 마라게, 사마르칸트 천문대의 천문학자들이 있습니다. 이 당시의 아랍 천문학자들은 오늘날까지도 계속해서 쓰이고 있는 많은 항성 이름을 도입하였습니다. 예를 들면 베가 알골 등이 있습니다. 또한 그레이트 짐바브웨와 팀북투의 유적들도 과거에 천문대를 포함하고 있었을 것으로 추측됩니다. 또한 사하라 남쪽의 아프리카에서도 식민지 시대 이전에 천문학 관측이 행해졌던 것으로 보입니다.
17세기를 전후하여 발명된 망원경으로 천문학은 더 멀리 볼 수 있게 되었고, 20세기에 이르는 시기에 발전된 역학, 전자기학 및 상대성 이론과 같은 현대 물리학의 업적은 20세기에 접어들어 우주 공간에서 우주를 관찰하고 탐험하는 역사를 이루었습니다.
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