16세기 이탈리아의 신학자인 조르다노 부르노(코페르니쿠스의 태양중심설을 옹호했음)는 붙박이별들은 태양과 비슷하며 그 주위는 우리 태양계처럼 행성들이 돌고 있다고 주장했나요?
외계 행성
16세기 이탈리아의 신학자인 조르다노 부르노(코페르니쿠스의 태양중심설을 옹호했음)는 붙박이별들은 태양과 비슷하며 그 주위는 우리 태양계처럼 행성들이 돌고 있다고 주장했다. 그는 1600년 종교 재판소의 결정에 따라 말뚝에 묶여 화형에 처해졌다. 그러나 그의 천문학적 관점이 유죄판결의 주된 이유는 아니었다.
1577년 대혜성
당시 브라헤는 태양이 지구를 돌고 있는 것으로 잘못 알고 있었으나, 혜성의 진행 경로에 대한 매우 정교한 관측 기록 수천 건을 남겼으며, 이 기록들은 요하네스 케플러의 행성운동법칙 이론 확립에 기여했고, 행성들이 원이 아니라 타원 궤도를 그리면서 태양을 돌고 있음을 알게 해 주었다. 당시 튀코 브라헤의 제자였던 케플러는 대혜성의 존재 및 진행 경로는 천구 이론을 바꾸기에 충분한 증거라는 추측을 내놓았으나, 그의 주장은 이후 잘못되었음이 드러났다. 또한 튀코는 대혜성의 코마가 태양을 바라본 시점에서 뒤쪽으로 형성된다는 사실도 알아냈다.
자전축의 세차운동
역사적으로 지구의 세차운동은 분점의 세차운동(分點之 歲差運動, precession of the equinoxes)이라고 불렸다. 왜냐하면, 분점이 황도를 따라 항성에 비해서 서쪽으로 즉, 황도를 지나는 태양의 이동 방향과 반대로 움직였기 때문이다. 이 용어는 상세한 수학적 계산이 결여된 비전문적 논고에서 여전히 사용된다. 히파르코스는 세차운동에 대해서 기록했는데, 쐐기 문자 평판에서 비롯된 증거가 그의 서술과 수학적 계산이 여러 세기 이전부터 존재해 왔던 바빌로니아의 천문수학에 몹시 의존했음을 시사하는데도 불구하고, 역사적으로, 그것을 그가 발견한 것으로 인정되고 있다. 그의 생애의 정확한 기간은 알려지지 않았지만, 프톨레마이오스에 의한 천문학 관측은 그가 기원전 147년부터 기원전 127년에 활동했다고 본다.
요하네스 케플러
1589년, 초등 학교, 라틴어 중등 학교, 뷔르템베르크의 국영 개신교 신학교를 거친 뒤, 케플러는 튀빙겐 대학교에 신학 학생으로 들어가 비투스 뮐러 밑에서 철학을 공부했다. 교과 과정 중에는 수학과 천문학도 있었다. 그는 자신이 굉장한 실력의 수학도임을 증명했고 능숙한 점성술사라는 평판을 들었으며, 동년배 학생들에게 별점을 쳐주곤 했다. 대학의 수학 교수였던 미하엘 매스틀린의 지도를 받으며, 케플러는 행성운동에 관하여 개신교에서 의무적으로 가르쳐야 하는 프톨레마이오스설과 일부 제자들에게만 개인적으로 가르쳤던 코페르니쿠스설 양쪽을 모두 배웠다. 그는 이 시점부터 코페르니쿠스주의자가 되었다. 학생들 간에 토론이 벌어지면, 케플러는 이론적인 관점과 신학적인 관점 모두에서 지동설을 옹호했고, 태양이 우주를 움직이는 주요한 원천이라고 주장했다. 목사가 되겠다는 바람에도 불구하고, 학업의 막바지에 이르러 케플러는 오스트리아 그라츠의 개신교 학교(그라츠 대학의 전신)의 수학과 천문학 교사 자리로 천거되었다. 그는 1594년 4월, 나이 23세 때 그 자리를 받아들였다. 하지만 케플러는 훌륭한 학자이긴 했어도 훌륭한 교육자는 되지 못했다. 목소리는 웅얼거렸고, 빈번히 강의 주제를 벗어나 옆길로 빠졌으며, 그라츠에서의 두 번째 해에는 수강생이 한 명도 없었을 정도로 말 못하게 지루한 강의였다고 한다.
지구중심설
16세기 유럽에서 니콜라우스 코페르니쿠스가 지동설을 주창했다. 코페르니쿠스의 지동설은 태양을 중심으로 지구를 포함한 행성이 공전한다는 점에서 획기적이며, 동시심을 배제하고 모든 천체의 운행을 크고작은 등속원운동으로 기술했다. 그러나 코페르니쿠스의 지동설도 원운동을 전제로 한다는 점에서 기존의 천동설과 동일했다. 실제로는 타원운동을 하는 행성의 운동을 원운동으로 설명하기 위해 주전원이 필요했기 때문에 계산에 드는 수고는 프톨레마이오스의 천동설과 그다지 다르지 않았고, 예측 정확도도 크게 오르지는 않았다. 지구의 위치가 이동한다면 그에 따라 별의 위치가 변한 것처럼 보이는 연주시차가 발생해야하는데, 당시의 관측 정밀도로는 그것을 관측할 수 없었던 것도 코페르니쿠스의 이론이 받아들여지지 않은 이유였다. 코페르니쿠스의 지동설을 계승하여 에라스무스 라인홀드가 『프로이센 항성목록』을 작성했지만, 주전원의 수를 프톨레마이오스의 천동설에서보다 늘려버려 계산을 복잡하게했다.
과학혁명의 구조
그러나, 코페르니쿠스는 관측과 예측이 아니라 패러다임의 변화에 큰 역할을 하였다. 갈릴레오 갈릴레이는 코페르니쿠스의 주장을 받아들이면서 운동하는 것은 계속하여 운동하려 한다는 관성의 법칙을 끌어들여 원운동의 원인을 설명하려 하였고, 프톨레마이오스 체계를 신봉했던 티코 브라헤의 자료를 넘겨받은 요하네스 케플러는 코페르니쿠스 체계를 기반으로 자료를 재해석하여 행성들의 운동이 타원임을 밝혔다. 결국 1577년 핼리 혜성이 밤하늘을 가로지르는 모습을 보게 된 사람들은 더 이상 별들이 천구에 붙박혀 있다는 설명을 믿지 않게 되었고, 태양과 달, 별들이 텅빈 공간을 떠돈다는 새로운 설명을 받아들이게 되었다. 쿤은 코페르니쿠스 혁명을 패러다임 우선성의 사례로 언급하였는데, 정상 과학의 위기 상황에서 새로운 패러다임이 먼저 발생하고 이를 정교화하는 것은 추후에 뒤따른다는 것이다.
니콜라우스 코페르니쿠스
코페르니쿠스는 아리스토텔레스에 근거하여 논의에만 몰두하던 스콜라학의 학문적 전통을 따르지 않고 천체관측과 궤도 계산을 위주로 하던 실지천문가였다. 코페르니쿠스가 등장하기 전에는 고대 그리스에서 르네상스에 이르기까지 우주의 성질에 대한 통념이 기본적으로 변한 것이 없었다. 그러나 코페르니쿠스의 등장으로 암흑기에서 과학혁명으로의 길로 나아갈 수 있는 계기가 되었다. 그는 지구와 태양의 위치를 바꿈으로써 지구가 더 이상 우주의 중심이 아님을 천명했는데, 이것은 당시 누구도 의심하지 않던 프톨레마이오스의 우주 체계에 정면으로 도전한 것이었다. 그리고 이 도전은 지구가 우주의 중심이고 인간은 그 위에 사는 존엄한 존재이며 달 위의 천상계는 영원한 신의 영역이라고 생각했던 중세의 우주관을 폐기시키는 결과를 가져왔다. 당시 코페르니쿠스가 행했던 인간중심의 지구중심설에서 객관적인 입장의 태양중심설로의 발상의 전환을 ‘코페르니쿠스적 전환’이라 이른다. 흔히 대담하고 획기적인 생각을 이르는 말로 쓰이기도 하는데, 그만큼 코페르니쿠스의 이론은 당시 사람들에게 큰 충격을 주었었다.
야코뷔스 캅테인
그의 필생 사업인, 《항성계의 배열과 운동 이론에 관한 최초의 시도》는 1922년에 출간되었다. 여기서 캅테인은 우리 은하를 중심에서 멀어질수록 별의 밀도가 감소하는 렌즈 모양의 섬우주로 묘사했다. 캅테인의 섬우주 모형에서 우리 은하의 크기는 약 4만 광년이었고, 태양의 위치는 우리 은하 중심에서 2천 광년 떨어진 지점이었다. 그의 모형은 은위값이 큰 곳에서는 적절하게 들어맞았지만, 은하 평면 가까운 곳에서는 그렇지 못했는데, 성간 소광을 고려하지 않았기 때문이다.
레기오몬타누스
다작 작가 레기오몬타누스는 그의 생에 동안에 국제적으로 유명했다. 그가 저술해오던 한 작품은 1/4밖에 완수하지 못했지만, 그는 상당량의 중요한 저서들을 남겼다. 니콜라우스 코페르니쿠스의 스승인 노메니코 마리아 노바라 다 페라라는 레기오몬타누스를 그의 스승이라고 했다. 레기오몬타누스는 죽기 전에 태양중심설의 이론에 이르렀다는 추측이 있는데, 그의 한 원고는 피타고라스 학파의 아리스타르코스의 태양중심적 이론에 대한 각별한 관심을 드러내며, 한 친구에게 보낸 서신에서도 지구의 이동에 관한 언급이 있다. 
1561년에, 다니엘 센트베크는 자신의 저서 《천문학과 기하학의 일곱 분류의 문제들(Problematum astronomicorum et geometricorum sectiones septem)》 뿐만 아니라, 레기오몬타누스 작품들의 전집 《평면과 구면의 삼각법에 대한 다섯 서(De triangulis planis et sphaericis libri quinque)》(1533년 첫 출판)와 《Compositio tabularum sinum recto》를 편찬했다. 그것은 헨리쿠스 페트루스와 그의 아들 페트루스 페르나에 의해 바젤에서 출판되었다.
행성의 정의
중세 및 르네상스 시대의 작가들은 일반적으로 행성이 7개라는 개념을 수용했다. 중세 시대 천문학의 기본 개념을 수립한 사크로보스코가 쓴 책 '세계의 천구 위에서'("De sphaera mundi")에는 태양과 달을 행성으로 취급하고 있다. 보다 전문화된 이론이 수록되어 있는 책 '행성의 이론'("Theorica planetarum")에도 행성의 갯수를 7개로 잡고 있다. 알폰소 천문표의 사용법에는 태양, 달, 다섯 행성을 같은 급으로 취급하고 있다. 연금술과 행성을 연결하여 생각했던 14세기의 시인 존 가워는, 그의 책 연인의 고백("Confessio Amantis")에서 태양과 달을 행성이라고 언급했다. 천동설을 배격했던 니콜라우스 코페르니쿠스는 태양과 달을 행성의 범주에 넣을 것인지 아닌지 모호한 입장을 취했다. 그는 자신의 책 '천구의 혁명에 대해'("De Revolutionibus")에서 '태양, 달, 행성들, 항성들'을 확실히 구별지었다. 그러나 그는 바오로 3세에게 헌정한 작품에서 '태양과 달...그리고 나머지 다섯 행성들의 움직임'이라는 문구를 넣어서 태양과 달을 행성에 포함시키는 견해를 드러냈다.
우주
갈릴레오 갈릴레이가 망원경을 이용하여 목성의 갈릴레이 위성을 관측하면서 지구중심설에 의문이 제기되었고, 이후 코페르니쿠스가 태양중심설을 주장하였다. 요하네스 케플러는 티코 브라헤의 관측 자료를 바탕으로 케플러의 행성운동법칙으로 태양계에서의 행성 운동을 설명하였고, 이에 착안하여 아이작 뉴턴이 만유인력의 법칙을 발견하면서 고전역학에 의한 우주론이 확립되었다.
태양계
수천 년 동안 인류는 (몇몇 주목할 만한 예외가 있지만) 태양계의 존재를 인식하지 못하였다. 그들은 지구가 우주의 중심에 있고 움직이지 않으며, 하늘에서 움직이는 다른 천체와는 절대적으로 다른 존재라고 믿었다. 인도의 수학자이자 천문학자인 아리아바타와 고대 그리스의 철학자 사모스의 아리스타르코스가 태양 중심의 우주론을 추측하기도 했지만, 태양중심설을 최초로 수학적으로 예측한 사람은 니콜라우스 코페르니쿠스다. 17세기에는 그 계승자 요하네스 케플러, 갈릴레오 갈릴레이, 아이작 뉴턴이 물리학에 대한 이해로 지구가 태양 주위를 움직이고, 행성은 지구를 제어하는 힘과 같은 힘으로 제어된다는 생각을 수용하였다. 좀 더 최근에는, 망원경 기술이 발달하고 무인 우주선을 사용할 수 있게 됨으로써, 다른 행성의 산맥이나 크레이터 등과 같은 지질학적 현상과 구름, 모래폭풍, 만년설 같은 기상학적 현상을 조사할 수 있게 되었다.
항성
1019년 천문학자 아부 라이한 알 비루니는 우리 은하를 성운 형태 항성이 뭉쳐서 이루어진 것으로 묘사했다.
일반적으로 항성은 모습이 거의 변하지 않지만 중국 천문학자들은 새로운 별이 나타나는 것을 알아냈다. 튀코 브라헤와 같은 초기 유럽의 천문학자들은 밤하늘에 새로 나타나는 천체를 발견하여 훗날 ‘신성’ 이름을 붙였다. 1584년 조르다노 브루노는 밤하늘의 별은 태양과 같은 존재이며 그들은 자신만의 행성을 거느리고 있고 이 행성 중에는 지구와 같은 천체도 있다고 주장했다. 브루노의 주장은 고대 그리스의 철학자 데모크리토스나 에피쿠로스가 이미 언급한 적이 있다. 17세기에 이르러 별이 태양과 같은 존재라는 사실은 천문학자 사이에서 정설로 받아들여지게 된다. 왜 태양 주변의 별이 태양계에 대하여 중력적으로 영향을 끼치지 않는가에 대해 아이작 뉴턴은 항성이 모든 방향으로 고르게 분포되어 있기 때문이라고 설명했다. 이 주장은 신학자 리처드 벤틀리가 제기한 것이기도 하다.
요하네스 케플러
다른 많은 조화 가운데 케플러는 오늘날 행성운동의 제3법칙으로 알려져 있는 것을 명료하게 표현했다. 그는 〈행성의 공전주기의 제곱은 궤도의 장반경의 세제곱에 비례한다〉라는 것을 (거의) 발견하기까지 많은 조합들을 시도했다. 그러나 천체역학의 넓은 의미에서 이 순수한 운동학적 법칙은 1660년대까지 밝혀지지 않았다. 이후 원심력에 대한 크리스티안 하위헌스의 새로운 법칙이 결합되어, 이 법칙은 아이작 뉴턴, 에드먼드 핼리와 크리스토퍼 렌과 로버트 훅이(아마도) 태양과 그 행성들 간의 중력적 인력이 그 사이 거리의 제곱에 반비례한다는 추측을 독립적으로 증명하도록 도와주었다.
태양중심설
이 후 망원경을 고안한 갈릴레오 갈릴레이(Galileo Galilei 1564.2.15 ~ 1642.1.8)의 관찰로부터 코페르니쿠스 체계를 뒷받침할만한 증거들이 발견되었다. 망원경을 통해 하늘에는 무수히 많은 별이 있다는 것, 별들의 크기가 육안으로 보았을 때보다 훨씬 작다는 것을 발견하였다. 이것은 별들의 거리가 시차가 관측되지 않을 만큼 멀리 떨어져 있다는 것을 의미한다. 또한 망원경을 통해 본 달의 표면이 지구의 표면과 비슷하고, 태양에서도 움직임이 불규칙한 흑점이 있다는 것을 관찰하면서 완전한 것으로 여겨졌던 천상계가 불완전한 지상계와 다르지 않다는 것을 알게 되었다. 무엇보다도 주기적으로 바뀌는 금성의 크기와 밝기를 관측한 것은 코페르니쿠스 체계에 대한 강력한 증거가 되었다. 이후 아이작 뉴턴(Isaac Newton 1642?1643?~ 1727)의 만유인력에 바탕을 둔 궤도해석과 제임스 브래들리 (James Bradley 1693.3 ~ 1762.7.13) 의 광행차 발견(1727), 프리드리히 베셀(Friedrich Wilhelm Bessel 1784.7.22 ~ 1846.3.17)등의 연주시차의 검증(1838)에 의하여 태양중심설은 확고한 것이 되었다.
우주
한편 달력의 제작과 절기의 측정을 위해 천체 관측이 이루어져 왔으며 이러한 관측을 바탕으로 체계적인 우주론이 등장하였다. 근대 이전의 우주론은 고대 그리스의 사모스의 아리스타르코스에 의한 태양중심설과 같은 이론도 있었으나 동서양을 막론하고 지구중심설이 주를 이루었다. 중국, 일본, 한국 등 동아시아에서는 28수를 바탕으로 하는 별자리와 지구를 중심으로 구형 우주가 둘러쌓여 있는 혼천설을 바탕으로 한 우주론이 확립되었고, 중세 아랍과 유럽에서는 클라우디오스 프톨레마이오스의 우주론이 정설로서 인정되었다.
지구중심설
기원전 3세기 무렵의 아폴로니우스와 기원전 2세기의 히파르코스는 행성이 단순히 원운동을 하는 것이 아니라, 원 위에 있는 작은 원 위를 움직인다고 생각했다. 이 작은 원을 주전원, 큰 원을 대원(Deferent)이라고 부른다. 두 가지 이상의 원운동이 합해져 행성의 진행방향이나 속도가 변화하는 것으로 보이며, 이것은 행성의 접근에 의한 밝기 변화, 순행과 역행의 속도차이를 대략적으로 설명할 수 있다.
니콜라우스 코페르니쿠스
코페르니쿠스는 행성의 궤도에 대한 프톨레마이오스의 모델이 행성들의 위치를 잘 예측해주기는 하였지만, 아리스토텔레스가 정립해 놓은 원칙에서 많이 벗어나 있음을 깨달았다.
90377 세드나
브라운과 그 연구진은 세드나가 태양의 탄생성단의 항성으로 인해 세드나가 현재의 궤도를 가지게 되었다는 가설을 건호했다. 세드나의 원일점은 1,000 AU에서 살짝 모자란데 이는 장주기 혜성보다는 상대적으로 가까운 거리로서 지나가는 항성의 영향을 받기에는 충분히 멀지 않다. 연구진은 세드나의 궤도를 설명하는 가장 그럴듯한 가설은 태양은 탄생할 때 여러 항성들과 함께 태어나 산개성단을 이루었고, 시간이 지나면서 항성들이 흩어졌다는 것이라고 제안했다. 브라운 연구진 뿐 아니라 알레산드로 모르비델리와 스콧 제이 케니언도 이 가설을 발전시켰다. 줄리오 A. 페르난데스와 에이드리언 브루니니가 수행한 컴퓨터 시뮬레이션에서는 그러한 산개성단 환경에서 다수의 젊은 항성들이 옆을 지나가면 세드나와 같은 궤도를 가진 천체가 여럿 만들어진다는 결과를 내놓았다. 모르비델리와 레비슨은 세드나가 매우 가까운 거리(약 800 AU)를 지나간 다른 항성에 의한 섭동을 받았고 그 일은 태양계가 존재하기 시작하고 첫 1억 년 이내에 벌어졌다는 설이 세드나의 궤도에 관한 가장 가능성 있는 해석이라고 제안했다.
해왕성 바깥 천체 가설은 로드니 곰즈와 패트릭 리카우카를 비롯한 다수의 천문학자들에 의해 여러 차례 발전해 왔다. 세드나의 궤도 섭동에 관한 한 시나리오에서는 힐스 구름(내부 오르트 구름)에 가설상의 행성급 천체가 존재하여 그것이 섭동의 원인이라고 한다. 최근의 시뮬레이션에서는 세드나의 궤도가 거리 2,000 AU 이하의 해왕성급 천체, 또는 거리 5,000 AU의 목성급 천체, 심지어는 지구급 천체도 거리 1,000 AU에 있으면 섭동을 발생시킬 수 있다는 결과를 보여준다. 패트릭 리카우카가 수행한 컴퓨터 시뮬레이션에서는 지구 정도 크기의 천체가 태양계 형성 초기에 해왕성 너머로 튕겨나가면 현재는 태양으로부터 80 AU에서 170 AU 사이의 짜부라진 궤도를 돌게 된다는 결과가 나왔다. 마이클 브라운의 여러 차례의 전천탐사에서는 거리 100 AU 정도에 위치한 지구 체급의 천체는 찾을 수 없었다. 그러나 그 천체가 박살나서 태양계 바깥 쪽으로 흩뿌려지면서 내부 오르트 구름이 형성되었다는 설명도 가능하다.
튀코 브라헤
튀코가 관측한 별과 행성 궤도 등 여러 결과들은 양도 많을 뿐더러 모든 자료가 놀라울 정도로 정확하다. 튀코의 별 관측 목록 D에 관하여 Rawlins는 "이전의 어떠한 천문학자들보다 튀코는 관측방법, 기구, 계산 등 모든 면에서 월등히 뛰어난 관측"을 했다고 하였다. 그는 수년간에 걸쳐서 정확한 관측을 계속하면서 정확성은 육안으로 볼 수 있는 극한까지 이르렀고, 망원경을 사용하지 않은 관측으로는 가장 정밀하였다고 한다. 그의 정확성을 살펴본다면 그가 작성한 항성목록의 표준성좌표의 오차는 불과 25초에 지나지 않았다. 그가 오랜시간을 별의 위치를 측정하는데 바쳐 항성목록을 출판했는데 그 목록에는 777개 항성의 정확한 위치를 측정했으며 나중에는 1000개까지 늘어나게 되었다. 또한 달궤도의 각 지점의 위치를 정기적으로 측정하여 달 운동이론을 발전시키고 달궤도 귀착점의 속도를 측정하였다. 이후 천문학 발전에 있어 가장 중요한 의의를 가지는 것이 튀코 브라헤의 행성관측이었다. 당시의 정밀하지 못한 관측기구를 이용하여 가까운 항성의 이각 을 측정해내었다. 벤 섬에서 연구하던 시절에 그는 항상 자신이 만든 사분의와 혼천의를 사용하여 연구를 진행하고 있었지만 갑작스럽게 찾아온 죽음에 의해 결국 수치화된 행성이론을 만들지 못했다. 그러나 이것은 케플러에 의해 완성되었다.1572년 11월 11일, 실험실에서 집으로 돌아오던 중 튀코 브라헤는 밤하늘의 별자리중에 카시오페이아 별자리를 살펴보고 있었다. 평소에는 다섯 개의 별로 이루어져 있지만 그 날 다섯 개의 별보다 더 밝은 별 하나가 더 빛나고 있음을 알아냈다.(현재 그 별은 SN1572라고 불린다.) 그 당시에는 별은 수정구에 고정된 상태로 빛을 내뿜는다고 알려졌기 때문에 이는 큰 충격이었다. 그렇지만 튀코는 한 번의 관측으로 이를 별이라 결론내리기 어렵다고 판단하여 육분의 를 이용하여 관측을 계속 하였다. 튀코는 새로운 별의 연주시차를 측정하려고 했으나 다른 별과 행성들에 비하여 그 운동이 너무 상대적으로 작아서 그 별이 움직이지 않고, 행성이 아니라고 결론은 내렸다. 그 별은 18개월동안 시야에서 사라지지 않고 움직임도 보이지 않았으나 1572년 이후부터 점점 희미해져갔다. 튀코는 이 관측을 토대로 새로운 별 "De Nova Stella"를 출판했으며 새로운 용어인 신성"nova"를 얻게 되었고 그 책에서는 밝은 물체를 다른 별들처럼 천구에 속해 있다고 분명히 밝혔다.
태양계
성운설 이후 제임스 진스(1917년)가 태양과 행성이 다른 과정을 통해 형성되었다는 이원론을 제시하였다. 이에 따르면, 태양을 지나쳐간 한 무거운 항성이 태양으로부터 주기적으로 변동하는 가는 실을 뽑아내게 된다. 중력적으로 불안정한 필라멘트는 부서져 각각의 압축물이 초기 행성을 형성한다. 이 초기 행성은 태양 주변을 지나쳐 멀어져가는 항성에 의해 끌어당겨져, 태양을 중심으로 한 궤도에 남게 된다. 최초의 근일점을 지날 때에 위의 축소판 과정이 일어나 초기 위성을 형성하게 된다.
요하네스 케플러
케플러의 첫 주요 천문학 연구 《우주구조의 신비》()는 코페르니쿠스 설을 옹호한 최초의 출판물이다. 케플러는 그라츠에서 선생을 하고 있을 때인 1595년 7월 19일에 토성과 목성의 궁도대에서의 주기적인 합을 증명해 냈다고 주장했다. 그는 정다각형들이 서로 안에 갇혀 우주의 기하학적 기반이라고 생각한 확실한 비율로 원에 내접하고 외접한다고 생각했다. 천문 관측 결과와 들어맞는 다각형들의 배열을 찾는 데 실패하자, 케플러는 입체 다면체로 실험을 시작했다. 케플러는 다섯 개의 플라톤의 다면체들이 구형의 천구 에 각각 내접하고 외접하는 것을 발견했다. 이 입체들은 각각 다른 입체의 안에 있는 구 안에 있음으로, 당시까지 알려져 있던 여섯 개의 행성들―수성, 금성, 지구, 화성, 목성, 그리고 토성에 상응되는 6개의 포개진 겹을 형성하는데, 이 입방체들은 안에서 밖으로 순서대로 정팔면체, 정이십면체, 정십이면체, 정사면체, 정육면체이다. 케플러가 이렇게 정다면체와 행성을 연결해서 추측한 배경에는 정다면체의 종류도 유한하다는 사실이 작용한 것으로 보인다. 케플러는 행성이 여섯 개 뿐(적어도 케플러가 살던 시대에는)인 까닭이 정다면체가 다섯 개 뿐이기 때문이라고 결론내렸고, 정다면체에서 행성의 구들을 유지하는 투명 구조물을 찾아냈다고 확신했다. 케플러는 이 이론을 ‘코스모스의 신비’라고 불렀다. 그는 정다면체와 행성 간 거리의 관계가 ‘신의 손’을 의미한다고 굳게 믿었다.
제목에 나타냈듯이, 케플러는 자신이 우주에 대한 신의 기하학적인 계획상을 알아냈다고 생각했다. 코페르니쿠스 체계에 대한 케플러의 믿음의 대부분은 우주 자체가 신의 이미지이며, 태양이 성부, 항성 천구가 성자, 그리고 그 사이의 우주 공간이 성령이라는, 케플러의 물리적인 것과 영적인 것 사이의 관계에 대한 신학적 신념에서 비롯된 것이었다. 《우주구조의 신비》의 첫 번째 원고는 지동설을 천동설에 유리한 것으로 보이는 성경의 구절들과 조화시키는 데 광범위한 장(章)을 할애했다.
크리스티안 하위헌스
내가 이 새 행성이 16일을 주기로 토성을 돈다는 것을 발견했을 때 나는 의심의 여지없이 토성이 그 자신만의 축을 중심으로 더 적은 시간을 주기로 돈다고 생각했다. 훨씬 전에도 나는 다른 원시 행성들이 자신만의 축을 중심으로 돈다는 면에서 지구와 같다고, 그래서 한 번에 한 부분씩 돌아가며 전체 행성의 표면이 태양 빛에 기뻐한다고 항상 믿어왔었다; 그리고 이보다 더, 나는 일반적으로 이 세계의 거대한 구체들의 정렬은 작은 구체들이 그들 자신을 중심으로 돌고 이 작은 구체들보다 더 짧은 주기를 지닌 회전 운동을 한다고 믿었다. 따라서 태양은 그의 흑점이 보여주듯이 그만의 축을 중심으로 약 26일을 주기로 돈다; 하지만 지구를 포함한 태양 주위의 다양한 행성들은 거리에 따라 변하는 주기로 행로를 돈다. 지구는 하루를 주기로 하는 행로를 돌며, 지구 주위를 달이 한 달을 주기로 돈다. 목성 주위의 네 작은 위성들도 거리가 감소할수록 속도가 증가한다는 같은 법칙 아래 돈다. 따라서 우리는 목성과 가장 가까운 위성이 목성을 도는데 이틀보다 적은 시간을 필요로 하는 것으로 보아 목성이 아마 24시간 보다 더 짧은 시간을 주기로 돌 것이라고 결론 내려야 한다. 이러한 모든 사실들로부터 알 수 있듯이, 토성 역시 비슷한 운동을 가짐이 틀림없다고 결론 내렸다. 하지만 내게 토성의 위성의 회전 운동 속도에 대한 정보를 주었던 것은 바로 나의 관찰이었다. 그 위성이 궤도를 16일에 한 바퀴 돈다는 사실은 그 위성의 궤도의 중심에 있는 토성이 그보다 더 적은 시간에 한 바퀴 돈다는 결론에 이르렀다. 게다가, 다음 결론 역시 일리가 있어 보인다; 토성과 그의 위성 사이에 있는 모든 천체가 같은 운동을 할 것이며 그것이 토성에 더 가까워질수록 토성의 속도에 더 가깝게 접근한다는 결론 말이다. 마침내, 다음이 결론지어진다: 부속물, 즉 토성의 팔은 구형체의 중심과 붙어 있어 그것과 같이 가거나 토성의 팔이 토성과 일정 거리만큼 떨어져 있어 토성의 속도와 많이 작지 않게 회전 운동을 한다는 결론 말이다. 게다가, 내가 이러한 사실들을 토성의 팔의 운동과 연결지어 생각하는 동안, 이러한 팔들은 1655년 나의 이전 관찰이 보여주었던 양상 아래 나타났다. 토성의 팔들은 일종의 축이 행성의 중심을 뚫고 지나간 것처럼 토성면을 따라 같은 곧은 직선으로 뻗어나가는 반면에 토성의 몸체는 매우 둥글었다; 비록 처음 그림에서 보이는 것처럼, 내가 쓰고 있었던 12피트 길이의 망원경을 통해 보아진 이 팔들은 구의 중심에서 행성면의 끝을 향해가면서 조금 더 두껍고 밝게 나타났다. 이 행성이 이 같은 양상을 매번 보여주기를 계속했을 때, 나는 토성과 그에 붙은 구체들의 회로가 짧다는 것을 이해했으며 이것이 토성이 다른 구체들에 의해서 동일하게 모든 면이 감싸지지 않으면 일어날 수 없다는 것을, 따라서 일종의 고리가 토성을 중심으로 에워싼다는 것을 이해했다; 어떠한 속도로 그것이 돎에는 상관없이 그것의 축이 고리의 면과 수직하다면 그것은 항상 우리에게 같은 양상을 보일 것이다.
천구의 회전에 관하여
그 뒤에 3장에 걸쳐서 자신이 주장한 태양 중심 체계에 반박하는 학자들의 주장을 반박하고, 그 다음 3장은 태양 중심체계를 이용하여 천체들의 운동들을 논리적으로 설명하고 있다. 예를 들어, 화성, 목성 등 외행성의 역행운동이나 그리고 마지막 12-14장은 원호의 표와 삼각법의 기초적인 정리를 설명하며 뒤 2권에 대한 기본적인 수학적 준비를 하고 있다.
지구중심설
오랜 옛날부터 많은 학자들이 우주의 구조에 대해 생각해왔다. 고대 그리스에서는 아리스토텔레스와 에우독소스는 지구가 우주의 중심에 있고 모든 천체가 지구 주위를 공전한다고 주장했지만, 에크판토스는 지구가 우주의 중심이지만 자전하고 있다고 주장했으며, 필롤라오스(Philolaus)는 지구도 태양도 우주의 중심은 아니지만 자전과 공전을 하고 있다고 주장했고, 아리스타르코스는 우주의 중심에 있는 태양 주위를 지구가 공전하고 있다고 주장했다.
튀코 브라헤
프톨레마이오스 의 체계는 흔히 천동설이라 불린다. 천동설은 지구가 우주의 중심으로 지구를 중심으로 모든 천체가 공전하는 우주모델을 말한다. 옛날 사람들은 당연하게 땅은 움직이지 않고 하늘이 회전한다고 생각하였다. 그 이후 중세 봉건시대에서 우주를 신이 창조했다고 믿었으며 천체는 둥글고, 고귀하기 때문에 지구는 중심을 차지하며, 조화되어 있기 때문에 등속운동을 하고 있다는 전제를 두었다. 그리고 이곳에 지구 구형설과 지구 중심설이 존재했다.
기원전 4세기 정도에 지구가 둥글다는 사실이 받아들여졌다. 그 후 이런것을 토대로 지구 중심설의 모델을 수정해 나가기 시작하였다. 페르게의 아폴로니오스는 태양, 달의 부등속을 설명하기 위해 이심원을 채용하였다. 뿐만 아니라 주전원을 도입하여 행성의 역행과 지구접근에 대한 설명을 가능케 하였다.
A.D.2년에 이르러서 클라디우스 프톨레마이오스가 지구 중심설을 이용하여 우주에 대한 현상을 체계적으로 설명한다. 즉, 천동설을 구체화하였다는 것이다. 프톨레마이오스의 체계는 다음과 같다.
니콜라우스 코페르니쿠스
15세기 중엽 비엔나 대학의 게오르그 푸르바흐는 프톨레마이오스의 ‘행성의 도구‘를 새롭게 해석해 새로운 책 ’새로운 행성 이름‘을 썼다. 그는 투명한 수정으로 된 틀로 프톨레마이오스의 모원과 주전원을 만들어 보려 했다. 즉, 우주의 구성과 운동을 실제 물질을 사용해 주체적으로 표현해 보려 한 것이다.
니콜라우스 코페르니쿠스
고대 그리스의 철학자들은 지구를 중심으로 하늘의 천체들이 등속 원운동을 한다고 믿었다. 왜냐하면 원운동은 시작도, 끝도 없이 영원히 계속될 수 있다고 생각했기 때문이다. 그러나 이런 이론적 요구를 실제로 만족시키기는 매우 어려웠다. 우선 태양의 궤도가 문제였다. 사계절의 길이는 사람들이 생각한 것처럼 각각 약 91.25일이 아니라, 봄(춘분부터 하지까지)은 92.75일, 여름(하지부터 추분까지)은 93.75일, 가을(추분부터 동지까지)은 89일로 각각 다르다. 이를 통해 우리는 처음의 가정을 부정하여 태양의 운동 속도가 일정하지 않거나 태양의 궤도면이 지구를 중심으로 하지 않을 수도 있다고 추측해 볼 수 있었다.
행성계
우리 태양 외에도 수많은 항성이 행성을 거느리고 있음이 밝혀졌다. 어떤 항성이 행성을 거느릴 확률은 아직 정확히 규명되지는 않았으나, 태양 비슷한 별 중 약 3~4.5%가 거대 행성을 거느리고 있으며 슈퍼지구나 지구급 행성의 경우 더 흔한 것으로 추측된다.
태양중심설
히파르코스(Hipparchos, 190?~120?B.C.)는 비교적 정확한 관측 자료와 천문관측기술을 바탕으로 에우독소스의 동심천구설의 문제점에 대한 해결책을 제시했다. 천구의 궤도가 실제로 원이 아니라는 점을 극복하기 위해 주전원을 도입하고, 천체의 운동이 실제로는 속도가 변한다는 점을 설명하기 위해 천체가, 중심이 아닌 이심(eccentric) 주위를 돈다고 가정하였다. 즉, 행성은 작은 원인 주전원(epicycle)을 돌면서, 일정한 속도로 대원(deferent)으로 알려진 큰 이심 주위를 도는 것이다.
코페르니쿠스 혁명
케플러는 튀코 브라헤의 관측 자료를 놓고 행성들이 따르는 궤도에 대해 고민하였다. 그의 출발점은 행성들이 원궤도를 그리면서 회전한다는 것과 회전하는 속도가 일정하다는 것이었다. 처음에 그는 지구를 대상으로 궤도를 그렸었는데 그것은 완전한 원이 되지 못했다. 그래서 일단 지구를 보류한 다음 화성의 궤도 문제로 옮겨 갔다. 나중에 ‘화성과의 전투’라고 불리었던 5년 동안의 엄청나게 지루하고 장황한 수학적 계산 끝에 마침내 그는 행성들의 궤도가 달걀 모양일 것이라는 결론에 도달하였다. 그는 한 가설에서 다른 가설로 시행 착오를 계속한 끝에 마침내 플라톤 이후 서구 세계를 지배해 온 ‘원’으로부터 탈피할 수 있었다. 원이 아닌 타원, 원에서 타원으로의 이행, 이것은 서양 과학의 역사에서 길이 남을 위대한 혁명이었던 것이다.
지구중심설
프톨레마이오스 체계는 당시로서는 매우 뛰어난 것이며, 지구를 중심으로 가정하여 행성 및 태양의 운동을 설명하는데 더이상의 것은 없을 정도다. 만약 태양계의 행성 운동이 모두 타원이 아니라 원운동이었다면, 프톨레마이오스 체계에서 행성의 운행을 거의 완벽하게 설명할 수 있다. 그러나 후에 밝혀진대로, 사실 행성은 태양을 초점 중의 하나로 두는 타원운동을 하고 있으며, 이후의 천동설은 타원운동을 원운동으로 설명하기 위한 방향으로 발전했다.
과학혁명의 구조
코페르니쿠스의 태양중심설은 계산의 결과 이전에 심미적 이유에 의해 주장되었다. 코페르니쿠스는 프톨레마이오스의 우주관이 너무나 복잡하고 다양한 추가 조건들로 이루어진 것에 불만을 품었으며 우주는 보다 직관적이고 단순해야 한다고 믿었다. 그는 고대 그리스의 천문학자 아리스타르코스의 태양중심설을 접하고는 그 단순함에 매료되었다. 수학자이기도 했던 인문학자 야코프 브로노프스키는 코페르니쿠스 체제에는 프톨레마이오스 체제가 지니지 못한 통일성과 단순성이 있었다고 평가한다. 그러나 코페르니쿠스의 주장은 천체 운동의 원인을 아리스토텔레스의 설명에서 찾고, 행성 이외의 별들은 천구에 단단히 박혀 있다고 생각하였으며, 여전히 주전원을 도입할 수 밖에 없었던 것과 같이 이전의 패러다임에서 완전히 벗어난 것은 아니었다. 게다가 실제 행성의 움직임을 예측하는 정확도면에서도 코페르니쿠스 체제는 별다른 진전이 없었다. 쿤은 이런 점을 들어 코페르니쿠스의 시기에 천문학이 위기에 봉착한것은 맞으나 그것을 해결하지는 못하였다고 평가한다.
태양중심설
16세기에 니콜라우스 코페르니쿠스(Nicolaus Copernicus, 1473.2.19~1543.5.24)는 태양이 우주의 중심이고 지구가 태양 주위를 돌고 있다는 태양중심설(Copernican heliocentrism)을 주장하였다. 하지만 이는 현재의 태양계의 구조와는 차이가 있다. 프톨레마이오스의 구조와 거의 비슷하고 단지 우주의 중심에 있던 지구와 달의 위치를 태양과 바꾸어서, 태양이 우주의 중심에 오게 하였다. 원형 궤도와 주전원, 이심 등의 기존의 지구 중심적 구조는 그대로 차용하였다. 이러한 코페르니쿠스의 체계화된 태양계의 구조를 코페르니쿠스 체계(Copernican system)라고 한다. 코페르니쿠스는 1530년쯤에 자신의 주된 역작인 『천구의 회전에 관하여 De Revolutionibus orbium caelestium』를 완성하였지만, 출판하지는 않았다. 전해 오는 이야기에 따르면, 1543년 5월 24일 그가 죽던 날 이 책의 인쇄본을 전달받았다고 한다.
요하네스 케플러
1598년, 오래간만에 편지를 보낸 매스틀린 선생은 우르소의 책은 무가치한 표절품이라고 충고했는데도 우르소와 엮이고 말았다고 케플러를 심하게 꾸짖었다. 우르소는 당시 튀코 체계 를 누가 제창했느냐의 문제로 튀코와 싸우고 있었다. 우르소는 튀코와의 싸움에서 케플러를 인질 삼을 흑심을 품고 있었다. 케플러는 멋도 모르고 우르소에게 “가설이 마음에 듭니다”라는 편지를 보냈고, 우르소는 튀코와의 논쟁에서 자신의 우선권을 추구하기 위해서 자기 저서 《천문학적 가설에 대하여》에서 케플러의 알랑거리는 편지들을 재출판하였다. 이 책에서 우르소는 튀코를 근거없이 비난했고, 참다못한 튀코는 우르소의 책을 마구 찾아내 불태워버렸다. 그런 사정을 몰랐던 케플러는 순진하게 튀코에게 자신의 책을 보냈다. 튀코는 ‘남을 중상모략하는 범죄나 다름없는 책’에 자신의 편지가 이용당한 사실을 케플러가 알 리가 없다고 생각했다. 튀코는 튀코대로 우르소에 대한 소송에 케플러의 언질을 이용할 계획이었다. 이러한 오점에도 불구하고, 튀코 또한 케플러의 이론에 대해 다소 신랄하지만 이치에 맞는 비판을 시작으로 케플러와 서신을 왕래하기 시작했다. 반대자들 중 한 명으로서 튀코는 케플러가 코페르니쿠스의 부정확한 수치 자료를 가져다 쓴 것에 대해 문제를 제기했다. 이 편지들을 통해, 튀코와 케플러는 월면 현상에 대한 이야기 및 코페르니쿠스설과 그 신학적 생존 가능성 등 광범위한 천문학 문제들을 토론했다. 그러나 튀코의 데이터보다 정확한 자료가 없었기에 케플러는 이 많은 쟁점들을 제대로 다뤄 볼 방법이 없었다.
중세의 우주론
케플러는 입방체들 중 하나를 다른 것 속에 넣은 방식으로 쌓아서 각각의 경우에 안쪽에 있는 입방체들의 모서리들이 그 입방체를 둘러싸고 있는 구의 표면에 접하도록 하고, 이어서 구는 그 다음 입방체 표면의 안쪽 측면에 닿게 하여 이렇게 나머지 다섯 개의 유클리드 입방체(정육면체, 정사면체, 정십이면체, 정이십면체, 정팔면체)들을 나열하면, 가장 안쪽에 있는 입방체 내부는 물론 가장 바깥쪽 입방체의 외부에 있는 구가 놓이게 됨에 따라 6개의 구가 나란히 늘어서게 되어 각각이 행성의 궤도가 된다고 생각하였다. 즉, 태양을 가장 안쪽으로 하여 정팔면체를 두고 수성의 궤도를 나타내는 구로 그것을 둘러싸도록 한 다음, 그 뒤를 정이십면체, 정십이면체, 정사면체, 정육면체가 따르도록 함으로써 행성들의 궤도가 일정한 간격을 유지하도록 구를 배치한 것이다. 이에 따라 그는 (1),(2)에 대한 그의 답을 달았고 이어 1597년 "우주의 신비(Mysterium Cosmographicum)"에서 (3)에 대한 답도 달았는데 행성들은 태양에서 뻗어나와 그것들을 밀고 있는 힘 (그는 이 힘을 "활력"이라 하였다.)에 의해 궤도를 따라 계속해서 돌고 있기 때문에 태양에서 멀어질수록 활력이 작아질 것이므로 천천히 돌 수 밖에 없다고 주장하였다.
천구의 회전에 관하여
"교황 바오로 3세에게 드리는 서문과 헌정 
거룩하신 교황 성하! 제가 이 책에서 태양중심설을 주장한다는 사실 때문에 일부 사람들이 저를 비난하고 있음을 잘 알고 있습니다.
태양계의 형성과 진화
세계의 탄생 및 멸망에 관한 이론은 매우 오래된 문헌에서도 발견된다. 그러나 오랜 시간 인류는 이러한 생멸 이론을 태양계에 접목할 생각을 하지 못했다. 그 이유는 우리가 현재 익숙하게 태양계라고 부르는 체계는 과거 사람들에게 알려지지 않은 개념이었기 때문이다. 태양계의 생성 및 진화에 대한 첫 번째 고찰은 태양 중심설(지동설)로, 태양을 중심으로 지구를 포함한 행성들이 그 주위를 돌고 있다는 이론이었다. 이 개념은 그것이 생겨난 뒤로 거의 천 년 동안 무시되어 오다가 17세기 말에 이르러서야 폭넓게 받아들여진다. ‘태양계’라는 표현이 처음 등장한 때는 1704년으로 거슬러 올라간다.
외계의 지적생명탐사
고대 그리스의 철학자 에피쿠로스는 “우주는 무한하다. 그래서 우리가 모르는 생명체가 사는 곳도 수없이 많을 것"이라고 주장하였다. 고대 로마의 시인 루크레티우스는 “우주 어딘가 우리 지구와 같은 것이 있어 사람이나 동물이 살고 있을 것”이라고 기록하였다. 중세 이탈리아의 철학자 조르다노 브루노는 외계인설을 주창하다가 로마 가톨릭교회로부터 이단 판정을 받아 처형됐다. 조선 중기의 실학자 홍대용은 “우주는 무한하고, 지구가 그 중심이 아닐 수 있으므로, 생각할 수 있는 생물이 지구에만 있지는 않을 것“이라고 추측했다. 17ㆍ18세기에는 외계인에 대한 관심이 커져 네덜란드의 물리학자 크리스티안 하위헌스 등 천문학자들이 모여 외계인의 몸 구조에 대한 논문을 발표하였다.
태양중심설
그리스시대에 플라톤의 아카데미아에서 수학했던 에우독소스(Eudoxos, 400?~350?B.C.)는 등속원운동과 천구의 개념을 바탕으로 한 동심천구설(Homocentric sphere model)을 주장한 바 있다. 이 설은 행성 ·달 ·태양의 불규칙한 운동을 지구를 중심으로 한 27개의 천구의 회전운동의 결합으로 설명하려 하였으나, 그 세부적인 계산에서 문제가 나타났다. 첫째, 천구의 궤도가 실제로는 원이 아니라는 문제이고, 둘째, 천체운동이 실제로 등속이 아니라 속도가 변한다는 문제가 있었다. (대부분의 고대인들은 모든 천체는 일정한 속도로 원 궤도를 따라 운동한다고 생각하였다.) 이는 과학적 우주상의 기초를 마련하였으며, 아리스토텔레스에 의하여 채용되었다.
중세의 우주론
튀코 브라헤가 주장한 절충설은 지구가 우주 중심에 고정되어 있으며, 태양, 달, 고정된 별들이 지구 주위를 돌고 있다는 것으로 태양 그 자체는 다섯 행성들의 궤도 중심에 위치하고 있는데 수성과 금성은 지구를 중심으로 돌고 있는 태양의 궤도 안쪽에서 돌고 있고, 화성, 목성, 토성은 태양을 중심으로 돌고 있지만 그들의 궤도 안에 태양과 지구가 모두 포함되어 있다. 이 체계에서는 프톨레마이오스 체계에서 제시되었던 소원과 이심이 제거되었고, 태양의 움직임이 행성들의 움직임과 뒤섞이는 이유를 설명할 수 있었다. 더욱이, 프톨레마이오스의 천동설로는 설명할 수 없었던 보름달보다 큰 내행성의 위상을 해결할 수 있었다. 또한, 태양, 지구, 행성의 위치가 다르게 배열됨에도 불구하고 프톨레마이오스와 튀코의 체계는 외행성의 운동에 관하여 일치하는 결론을 갖는다. 
튀코는 지동설을 '물리적 어리석음'이라 폄하하기도 하였지만 행성의 궤도를 수정구와 같이 물리적 실체와 관련짔지 않고 행성의 운동을 보여주는 기하학적 관련성에 결부시켰다.
코페르니쿠스 혁명
코페르니쿠스가 천문학에 관심을 가졌을 때에는 고대 그리스의 천문학자인 프톨레마이오스의 지구 중심 우주론(천동설)이 일반적으로 받아들여지고 있었다. 프톨레마이오스는 우주의 중심에는 지구가 놓여 있으며, 가장 바깥에는 우주의 끝인 항성 천구가 있다고 보았다. 항성 천구의 안쪽에는 토성, 목성, 화성, 태양, 수성, 금성, 수성, 달이 차례로 있으며, 이것들은 행성의 천구를 따라 완벽한 원운동을 한다고 주장하였다. 항성들이 붙어 있는 항성 천구는 행성들이 도는 방향과 반대 방향으로 하루에 한 바퀴씩 도는데, 이것이 별자리가 1일 1회전하는 이유로 보았다. 또한, 프톨레마이오스는 행성들이 앞으로 나아가다가(순행) 갑자기 멈춰 서는가(유)하면 다시 뒤로 후퇴하는 운동(역행)을 수행하는 것은, 행성 자체가 그러한 운동을 하는 것이 아니라 행성이 천구상의 임의의 한 점을 중심으로 작은 원형 궤도인 주전원과 큰 원형 궤도인 이심원을 따라 운동하기 때문이라고 설명하였다.
등주부등식
이 문제는 개념 상 물리학에서의 최소 작용의 원리와 관련되어 있다. 그래서 등주문제는 최소 노력으로 최대 면적을 둘러싸는 작용의 원리는 무엇인지에 대한 질문과 같다고 볼 수 있다. 15세기 철학자이자 과학자인 니콜라우스 쿠자누스 추기경은 세계가 만들어진 방식을 가장 직접적으로 반영했다고 생각한 회전 운동, 즉 원이 만들어지는 방식에 대해 생각했다. 독일의 천문학자이자 점성술사인 요하네스 케플러는 '우주의 신비(Mysterium Cosmographicum-The Sacred Mystery of the Cosmos, 1596)에서 태양계의 형태학을 다루는데 등주의 원칙을 적용했다.
중세의 우주론
우주론의 역사 중 중세의 서양에서는 과거의 천동설을 수정하여 현대 우주론의 기반이 되는 변화가 일어났다. 니콜라우스 코페르니쿠스, 튀코 브라헤, 요하네스 케플러, 갈릴레오 갈릴레이, 아이작 뉴턴을 거치며 과거의 지구가 우주의 중심이고 하늘이 지구를 중심으로 돌고 있다는 천동설에서 지구가 태양을 중심으로 돌고 있다는 지동설로 변화하게 된다.
기독교의 역사
갈릴레오 갈릴레이가 “그래도 지구는 돈다”라고 말했다는 것은 후대에 지어진 이야기일 뿐이고, 갈릴레이가 당시 교회에 의해 지지되던 프톨레마이오스의 지구 중심설을 부정하고 태양 중심설을 주장하였기때문에 교회로부터 직접적인 탄압을 받았다는 이야기 역시 후대에 과장된 것이다. 그러나, 과학 혁명 이후 과학의 새로운 발견은 종종 기독교와 충돌을 일으켰다. 교회가 신학적인 이유를 들어 코페르니쿠스를 비롯한 여러 과학적 발견에 대해 부정한 것은 분명한 사실이다. 《천구의 회전에 관하여(De revolutionibus orbium coelestium)》가 발간되자 개신교는 즉각 반발하였으며, 로마 가톨릭도 1616년 교황청의 금서 목록에 올렸다가 1758년 해제하였다.
천구의 회전에 관하여
수많은 학자들과 저명인사들도 수학의 발전을 위해 더 이상 주저하지 말고 이 책을 출간해야 한다고 했습니다. 어쩌면 교황 성하께서는 제가 밤잠을 설쳐 가며 노력한 성과를 감히 세상에 발표했다는 사실 못지않게 모든 수학자들이 제 견해와 반대되는 주장을 갖고 있고, 일반인도 제 견해가 상식에 어긋난다고 여기고 있는데도 제가 왜 태양중심설을 주장하는 지 몹시 궁금하실 겁니다. 한심한 수다쟁이들이 수학을 전혀 알지 못한 채 성서의 구절을 의도적으로 왜곡하며 제 견해에 이의를 제기할 경우, 저는 그들의 말에 전혀 관심을 기울이지 않고 그 불합리한 주장을 비웃을 겁니다."
갈릴레오 갈릴레이
1609년 망원경을 개량하여 이것을 천체 관측에 응용하여 '목성의 위성', '달의 반점', '태양의 흑점' 등을 발견하여 코페르니쿠스의 지동설이 정당함을 입증하였다. 이듬해 피렌체의 대공인 메디치 가의 코지모 2세의 초청을 받아 피렌체에 부임하여 연구를 계속하였다.
니콜라우스 코페르니쿠스
한편 중세 아랍 천문학자들은 등속 중심이라는 개념을 사용하는 데 강한 거부감을 느꼈다. 그들은 원의 둘레를 움직이는 운동의 속력이 그 원의 실제 중심에 대하여 일정하지 않고, 다른 어떤 점에 대해 일정하다는 사실을 받아들이지 않았다. 따라서 그들은 프톨레마이오스의 동속 중심을 사용하지 않으려고 여러 가지 시도를 했다. 하지만 그들이 제시한 방법은 결국 또 다른 작은 주전원들을 만들어 회전하도록 하는 것일 뿐이었다.
니콜라우스 코페르니쿠스
그는 바쁜 생활 속에서도 천문학을 놓지 않았다. 그는 1504년에 행성들이 게자리에서 하나로 만나는 대화합을 꼼꼼하게 관찰하고 기록했다. 기존의 천문학 표와 비교해 본 결과 그는 몇몇 차이를 발견했다. 레기오몬타누스의  또한 계속 공부하고 있었는데 레기오몬타누스의 몇몇 해석은 코페르니쿠스가 태양중심설을 펼치는데 중요한 단초가 되었다. 그는 다양한 분석과 계산을 통해서 자신의 태양중심설을 발전시켜갔다. 1510년, 코페르니쿠스는 바첸로데 대주교의 비서직을 그만두고 프롬보르크의 가톨릭 참사회 위원으로만 일하기 시작했다. 남은 시간에는 천문학 연구에 집중했다. 그는 그 때까지 자신의 생각을 정리하여 새로운 행성의 배열을 커다란 여섯 장의 종이 위에 옮겼다. 이것이 바로 이며 코페르니쿠스는 이것의 필사본을 자신의 몇몇 친구들에게 돌렸다. 그는 이 얇은 책에서 등속 중심 개념에 대해 문제를 제기했으며 태양 중심 우주론을 제시했다.
코페르니쿠스 혁명
갈릴레이 생시의 천문학자들은 지구가 태양 주위를 돈다면 달이 지구 뒤에 남겨질 것이라고 확신하여 지구는 태양을 돌 수 없고 대신 태양이 지구를 돈다고 믿었다. 그러나 갈릴레이는 망원경을 통해 목성의 4개 위성을 관찰하고 이로부터 달이 지구의 위성일 때 지구가 태양 주위를 공전하더라도 달이 지구 뒤에 남겨지지 않을 것이라고 확신하게 되었다.
태양계의 형성과 진화
태양이 생겨나고 남은 가스 구름 및 먼지로 이루어진, 원반 모양의 ‘태양 성운’에서 여러 행성이 생성되었다고 여겨진다. 현재 인정받는 행성 생성 이론은 강착(降着) 이론이다. 강착 이론에 의하면, 행성들은 중심부의 원시별 주위를 도는 먼지 알갱이들이 뭉치면서 생겨났다. 이 알갱이들은 직접 서로 충돌하면서 지름이 1~10킬로미터에 이르는 천체, 곧 미행성으로 자라났다. 이 미행성은 작은 천체를 빨아들이면서 수백만 년에 걸쳐 매년 15센티미터 정도씩 지름이 커졌다.
튀코 브라헤
갈릴레오는 진자의 등시성 및 관성법칙 발견한 위대한 이탈리아의 천문학자·물리학자·수학자이다. 그는 천문학에서도 거대한 발자취를 남겼다. 그는 코페르니쿠스와 프톨레마이오스의 타협안을 찾은 튀코 브라헤와는 달리 코페르니쿠스의 지동설만을 굳게 믿었고, 프톨레마이우스의 주장은 강하게 비판하였다. 1597년 그가 케플러에게 보낸 편지와 1610년 그가 공표한 관찰 결과에 따르면 바다의 조수 현상, 태양의 흑점, 달의 표면, 금성의 차고 기움, 목성의 4개 위성 등이 모두 다 천동설로는 설명이 불가능하다고 하였다. 그의 모든 주장들은 그가 망원경을 통하여 객관적이고 정확하게 분석한 결과이기에 튀코에게 뒤지지 않을 만큼 천문학계에 큰 기여를 하였다.또한 그는 "프톨레마이오스-코페르니쿠스 두 개의 주요 우주 체계에 대한 대화" 라는 책을 통하여 그의 입장을 간접적으로 주장하기도 하였지만, 결국에는 교황청의 협박을 이기지 못하고 그의 지동설에 대한 주장을 철회하고 만다. 하지만 그는 이미 천문학에 큰 기여를 하였고, 그의 주장은 약 350년 후 다시 빛을 발한다.
니콜라우스 코페르니쿠스
13세기 초, 영국의 천문학자 존 오브 할리우드는 파리에서 활동하면서 라틴어식 이름인 요하네스 시크로보스코라는 필명으로 ‘천구’라는 책을 썼다. 그 책은 기본 교재로서 인기가 있었다. 하지만 이 책에는 행성들의 운동에 대한 설명이 거의 없다. 그래서 다음 세대인 13세기 중엽이 되자 좀더 발전된 교재인 캄파누스가 쓴 ‘행성의 도구’가 등장했다. 이 책은 프톨레마이오스의 이론이 어떻게 작용하는지를 간단한 역학적 방법으로 설명해 놓았다.
니콜라우스 코페르니쿠스
태양중심체계를 처음으로 주장한 사람은 기원전 3세기 사모스의 아리스타르코스(Aristarchos, 310?~230B.C.)이다. 그는 저서 『태양 및 달의 크기와 거리에 대해서』에서 태양은 지구에 비해 6~7배 더 넓고 그 크기는 지구의 300배에 달한다고 서술하였다. 그는 태양이 지구보다 크기 때문에 태양의 연주운동은 지구의 공전으로 말미암은 것이고 항성의 일주운동은 지구의 자전에 의한 것이라고 주장했다. 이런 아리스타르코스의 태양중심설이 받아들여지지 않은 이유 중 하나로는 당시의 과학기술로는 별의 시차에 의한 효과를 관측할 수 없었던 것이 있었다.
천구의 회전에 관하여
하지만 코페르니쿠스는 이를 천문학자들이 읽기를 바랐고 이는 2권부터 복잡한 계산들과 수식들로 이루어진 책을 쓰게 되었다. 뿐만 아니라 천체는 완벽한 원운동을 한다는 것에 집착하고 프톨레마이오스가 제안했던 등각속도점을 쓰기를 거부하였고 이는 프톨레마이오스의 지구 중심설과 같이 많은 주전원과 이심원을 사용하여 천체들의 운동을 설명해야 했다. 이러한 점에 의해 당시 코페르니쿠스가 제안했던 모델은 일부 전문적인 천문학자들 사이에서 읽혔으나 그 파급력은 비교적 적었다.
코페르니쿠스 혁명
주전원의 숫자는 비록 줄어들었지만, 엄밀하게 따져볼 때 그의 태양중심설은 단순성이나 정확성 면에서 프톨레마이오스의 지구중심설보다 크게 나아진 것이 없었다.
교황 바오로 5세
바오로 5세는 로베르토 벨라르미노가 그의 명령에 따라 코페르니쿠스의 태양중심설을 고수하거나 변호하지 말라고 경고한 이후인 1616년에 갈릴레오 갈릴레이를 만났다. 태양중심설 자체를 아예 강단에서 가르치지 말라는 명령까지 있었는지 여부에 대해서는 논쟁의 여지가 있다. 벨라르미노가 갈릴레오에게 보낸 편지에는 단지 태양중심설을 고수하거나 변호하지 말라는 지시만이 있었다. 이 편재 내용은 벨라르미노와 만난 것에 대한 무성한 소문에 대해 갈릴레오가 스스로를 방어할 수 있도록 명시적으로 작성되었다.
행성의 정의
일곱 행성을 같은 부류로 보는 시각은 기원전 53년 경 키케로가 쓴 '스피키오의 꿈'("Dream of Scipio")에서 드러난다. 여기서 저자는 스키피오 아프리카누스의 정신을 찬양하면서, "이들 구체 중 일곱은 그 속에 각각 행성을 품고 있는데, 이들 모두는 하늘의 움직임에 거스른다."라고 기록하였다. 대 플리니우스는 서기 77년 기록한 '자연의 역사'에서, '어떤 별들보다도 많이 움직이며, 우리가 행성이라고 부르는 움직임을 보이는 일곱 별들'이라는 문구를 남겼다. 5세기 그리스 시인 논누스는 그의 작품 디오니소스 이야기("Dionysiaca")에 "나는 일곱 개의 서첩에 관한 하느님의 말씀을 받았으며, 그 서첩에는 각각 일곱 개 행성들의 이름이 적혀 있었다."라는 문구를 기록했다.
태양계의 형성과 진화
두 은하가 부딪히면 태양계 행성들의 궤도가 엉망이 된다는 것은 잘못된 생각이다. 행성계 근처를 다른 항성이 지나갈 때 행성들을 성간 공간으로 날려 버릴 수 있지만, 우리 은하와 안드로메다은하가 충돌하더라도 별과 별 사이 거리는 매우 멀어서 그러한 충돌이 태양계에 영향을 미칠 확률은 무시해도 좋을 정도이다.
지구중심설
프톨레마이오스의 천동설에서는 우주의 중심에 지구가 있고, 태양을 비롯한 모든 천체는 약 하루에 걸쳐 지구 주위를 공전한다. 그러나 태양이나 행성의 공전속도는 각기 다르고, 그러한 이유로 시기에 따라 보이는 행성이 다르다. 천구는 딱딱한 구체이며, 이것이 지구와 태양, 행성을 포함한 모든 천체를 감싸고 있다. 항성은 천구에 붙어있거나 천구에 뚫린 미세한 구멍으로 천구 밖의 빛이 새어나와 보이는 것으로 여겨졌다. 행성과 항성은 신의 보이지 않는 힘에 의해 움직인다. 모든 변화는 지구와 달 사이에서만 일어나고, 더 멀리 있는 천체는 정기적인 운동을 반복할 뿐, 영원히 변화는 일어나지 않는다고 여겨졌다.
갈릴레오 갈릴레이
1615년, 갈릴레오는 검사성성에 고발되었고 이것을 알자 자신과 코페르니쿠스의 이론을 변론하기 위해 로마를 방문했다. 하지만, 결과적으로는 이 방문은 별 소용이 없었다. 1616년, 코페르니쿠스의 《천체의 회전에 관하여》는 로마 교황청에 의해 지정된 금서 목록에 올랐고, 갈릴레오는 지동설을 유일한 진리로서 지지하지 말라는 경고를 받았다. 그리하여 고향인 피렌체에서 지내던 1623년, 갈릴레오와 친분이 두터웠던 마페오 바르베리니 추기경이 교황으로 선출되어 우르바노 8세로 즉위하였다. 이듬해, 갈릴레오는 다시 로마를 방문하여 교황의 환대를 받았고, 교황과의 변함없는 우정을 확인한 그는 자신의 이론을 추론 수준에서라면 발표해도 될 것이라고 판단하였다. 그리하여 그는 《두 가지 주요 세계관에 관한 대화》의 원고를 완성하였고, 1630년에 이 책의 출간 허가를 받기 위해 다시 로마를 방문한다. 이 책은 우여곡절은 겪은 끝에 1632년 피렌체에서 발간되었는데, 곧이어 갈릴레오 반대 세력의 격렬한 항의가 이어졌다. 우르바노 8세마저 이 책의 발간을 자신에 대한 배신으로 간주했다.
갈릴레오 갈릴레이
갈릴레오는 니콜라스 코페르니쿠스의 이론을 접하고 그의 이론의 탁월함에 감복하며 그의 이론을 지지하게 되었다. 1610년에 갈릴레오는 코페르니쿠스의 이론을 토대로 스스로 알아낸 천문학의 새로운 발견들을 다룬 《시데레우스 눈치우스》("Sidereus Nuncius")라는 책을 출간하였다. 하지만, 당시 교황청 세력의 주류들은 성서를 문자적으로 해석하는 소위 문자주의를 따랐는데, 《시데레우스 눈치우스》는 성서를 문자 그대로 해석할 경우에 성서와 상당히 배치되는 내용을 포함하고 있었다. 갈릴레오는 코페르니쿠스 이론의 열렬한 지지자이기는 했지만, 결코 교황청과 대립하고 싶어하지 않았다. 우선 갈릴레오는 한때 가톨릭 신부가 되려고 했을 정도로 독실한 기독교인이었고, 그의 천문학자로서의 명석함 덕분에 그는 교황청의 신분이 높은 사람들과도 꽤 친분이 있는 편이었다. 갈릴레오는 그들 앞에서 성서의 천동설을 암시하는 내용을 문자 그대로 해석할 필요가 없다며, 코페르니쿠스의 이론이 꼭 성서와 배치되는 것이 아니라고 주장하였다. 교황청의 일부는 그런 그의 주장에 동조하기도 하였지만, 일부는 코페르니쿠스의 이론을 주장하는 갈릴레오를 가톨릭의 교리에 어긋나는 이단으로 규정할 것을 주장하였다.
조르다노 브루노
브루노의 발언이나 주장 가운데 가장 이단으로 여겨진 부분은 그의 세계관과 우주관이었다. 그의 우주관은 말하자면, "우주는 무한하게 퍼져 있고 태양은 그 중에 하나의 항성에 불과하며 밤하늘에 떠오르는 별들도 모두 태양과 같은 종류의 항성이다"라는 무한 우주론을 주장했다. 지금은 누구나 알고 있는 사실이지만 당시는 그렇게 생각하고 있다 할지라도 무한 우주론을 부정하는 로마 가톨릭교회 주도의 사회적 분위기 속에서 쉽게 주장할 수 없었다.
은하원반
은하 원반에는 은하 팽대부와 은하 헤일로에 비해 성간물질과 젊은 항성이 많다. 태양계는 우리 은하의 원반에 위치한다.
코페르니쿠스 혁명
튀코 브라헤도 처음에는 수학적인 간결성으로 코페르니쿠스의 우주 체계에 호감을 가졌지만, 지구의 회전이 당시의 물리학 지식으로 볼때 불합리할 뿐만 아니라 성서적 믿음과도 부합하지 않는다고 생각하여 거부하였다.
천구의 회전에 관하여
신학자가 아닌 사람들 중 코페르니쿠스 체계에 대해 반박한 사람을 들어보면 튀코 브라헤를 들 수 있다. 튀코 브라헤는 지구는 너무 물렁하여서 자전이나 공전을 하면 그 형태를 유지할 수 없을 것이라는 점, 지구가 회전한다면 그에 따른 별의 연주시차가 존재하여야 하는데 관측상의 결과로는 그렇지 않다는 점을 근거로 들었다. 실제로는 지구의 회전에 따른 별의 시차는 존재한다. 하지만 지구에서 가장 가까운 별들조차도 당시에 측정할 수 있었던 최솟값보다도 더 작았기 때문에 이러한 시차를 발견하지는 못하였다.
지구중심설
코페르니쿠스의 이론의 영향을 받아 17세기의 튀코 브라헤는 지구를 중심으로 하면서도, 달과 지구를 제외한 모든 행성이 태양 주위를 도는 우주를 구상했다. 튀코의 태양계는 프톨레마이오스의 천동설의 발전형이라고도 말할 수 있다. 프톨레마이오스 체계도 태양계라는 것이 전혀 존재하지 않았던 것은 아니다. 내행성인 수성과 금성의 이심원 회전각은 태양과 동일했지만, 외행성은 다르게 취급되었다. 내행성을 지구에서 보면 태양에서 어느 정도 이상은 떠나지 않고, 외행성은 태양의 반대쪽으로도 회전한다.
행성
행성의 정의는 시대에 따라 계속 변해 왔다. 천문학이 발전하고, 특히 지동설이 받아들여지면서 태양과 달은 태양계의 행성에서 제외되었고 (그 이후에도 일요일과 월요일은 계속 있다), 그 이후인 20세기에는 태양계에 훨씬 다양한 천체가 존재한다는 것이 밝혀지면서 행성의 확실한 정의에 논란이 있었다. 2006년 국제천문연맹은 총회에서 행성을 “별 주위를 돌고, 구형을 유지할 만한 크기와 중력을 가졌지만, 위성이 아닌 천체”라는 새로운 정의를 초안으로 내세웠다. 이 초안에 따르면, 명왕성이 행성으로 유지되고, 케레스, 카론, 에리스(당시 이름은 “2003 UB”)가 태양계의 행성에 추가되어, 총 12개의 행성이 될 예정이었다. 그러나 많은 반발이 잇따랐으며, 8월 24일 태양계 안에 있는 천체에 국한하여 행성을 다음과 같이 정의하였다.
로베르토 벨라르미노
벨라르미노는 이단심문관이 된 이후 지동설을 주장했던 조르다노 브루노가 그가 주재한 종교재판에 의해 화형당했다. 벨라르미노는 브루노에게 그의 주장을 철회할 것을 요구하였지만 부르노는 벨라르미노 추기경에게 "나는 내 주장을 철회해야할 이유가 없고, 그러지도 않을 것이다. 나는 철회할 것이 아무것도 없다"라고 말했다. 또 "내 형량이 선고되는 것을 듣는 당신들의 두려움이 나의 두려움보다 오히려 더 클 것이다"고 말했다. 부르노에게 선고가 내려진 직후 벨라르미노와 예수회 사제들은 브루노의 턱을 쇠로 된 재갈로 채우고, 쇠꼬챙이로 혀를 꿰뚫었으며, 또 다른 꼬챙이로 입 천장을 관통시켰다. 1600년 2월 19일 일요일. 브루노는 망토를 입은 '자비와 연민단'이라는 무리가 이끄는 수레에 실린 채 구경거리가 되어 로마 거리를 돌아다녔다. 예수회 사제들은 그를 발가벗긴 뒤 불태워 죽였다.
니콜라우스 코페르니쿠스
프톨레마이오스의 이론에 따르면, 태양은 원궤도를 따라 일정한 속력으로 움직인다. 하지만 그 원의 중심은 지구의 중심과 일치하지 않았다. 그 원은 지구에서 태양까지 거리의 약 3.5 퍼센트 정도 거리만큼 떨어진 곳에 놓여 있는 이심원이었다. 그는 태양이 이 이심원 궤도를 일 년에 한 번 회전하며, 이심원 궤도 자체가 지구 둘레를 하루에 한 번 회전하는 것으로 보았다. 즉, 이심원 궤도는 별들에 대하여 고정된 상태로 있으며, 태양의 이심원 궤도, 행성들의 궤도가 지구에 대하여 하루에 한 번 회전하는 것이다.
은하
은하수의 실제 모습과 태양이 은하수 내에 어디에 위치하는 지를 알아내려는 시도는 윌리엄 허셜에 의해 처음으로 이루어졌다. 1788년 허셜은 밤하늘의 각 방향에 존재하는 별들의 수를 세어, 어두운 별은 먼 거리에 있다는 가정을 바탕으로 별들의 분포를 구하려고 시도했다. 그 결과, 항성은 은하수에 가까울수록 많이 분포해있다는 것을 발견했고, 태양은 은하의 중심부분에 위치한다고 결론을 내렸다. 1920년에는 네덜란드의 야코뷔스 캅테인이 허셜의 방법에 따라 더 정교하게 관찰하였고, 우리 은하의 직경은 약 15kpc이며, 허셜과 마찬가지로 태양은 거의 중심에 있다고 주장하였다. 한편 미국의 할로 섀플리는 구상성단의 분포가 궁수자리 방향이 집중되어있기 때문에, 우리 은하는 지름이 약 70kpc인 편평한 원반이며 태양은 그 외곽에 위치한다고 주장했다. 실제로는 성간물질에 의한 빛의 흡수 효과를 고려하지 않았기 때문에 은하계의 크기에 대한 의견은 모두 올바른 값이 아니었지만, 태양계가 원반 모양의 우리 은하 외곽에 있다는 섀플리의 주장은 오늘날에도 올바른 것으로 여겨진다.
행성의 정의
선사 시대부터 대부분의 인간 문명사에 걸쳐 행성에 대한 지식은 폭넓게 형성되어 왔다. '행성'이라는 단어의 기원은 고대 그리스 시절로 거슬러 올라간다. 고대 그리스 사람들은 천동설의 원리에 의해 지구가 우주의 중심에 움직이지 않고 고정되어 있다고 믿었으며, 하늘 및 하늘에 있는 천체들은 지구를 중심으로 돌고 있다고 생각했다. 그리스 천문학자들은 다른 천체들을 배경으로 움직이지 않는 '붙박이별'("asteres aplanis")과는 달리 별들 사이를 움직여 다니는 별 비슷한 천체들에 '떠돌아 다니는 별들'("asteres planetai") 라는 이름을 붙였다. 지금 '행성'이라고 불리는, 이들 그리스인들이 인지했던 다섯 천체는 수성, 금성, 화성, 목성, 토성이다.
윌리엄 길버트
길버트가 태양중심설의 신봉자가 된 계기는 자신의 자기에 대한 관심이 필연적이면서도 약간 추론적으로 천상(天上)에까지 이어졌다. 그 추론은 바로 행성들이 자기에 의해 태양을 중심으로 궤도를 유지하고 있다는 생각이었다.(이러한 생각은 후에 케플러에게 영향을 미쳤다. 케플러에게 미친 영향은 아래를 참조.) 이러한 길버트의 독창성은 태양중심설에 대한 논의에서 그 빛을 발했다. 회전하는 지구의 흔들림이라는 관점에서 분점의 세차를 얼마나 쉽게 설명할 수 있는지, 그리고 지구에 중심을 둔 수정 천구의 관점에서 그 현상을 설명하기가 얼머나 어려운지를 강조했다. 또한 길버트는 지구에서의 별들의 거리는 서로 다르고, 여러 행성들을 거느리고 있는 태양과 같은 천체들이 있을 수 있다고 주장하기도 했다.
그룸브리지 1830
그러나 실제로 우리 은하 중심에 대하여 공전하는 천체는 태양으로, 그룸브리지 1830과 같은 헤일로 별들은 은하의 회전 운동을 따르지 않는다. 따라서 태양에서 바라본 그룸브리지 1830은 실제로는 태양이 움직이는 것임에도 불구하고, 지구 관측자의 눈에는 빠른 속도로 은하 공전 방향과 반대로 움직이는 것처럼 보인다.
아낙시메네스
아낙시메네스는 지구가 평평한 모습이라고 생각했으며, 태양 따위의 천체들은 지구 주위를 맴돈다고 보았다.
성운설
널리 인정받은 현대적 행성생성 이론(태양성운원반모형)의 탄생은 소련 천문학자 빅토르 사프로노프로 거슬러 올라간다. 그의 1969년 책 '원시행성계원반의 진화와 지구 및 행성들의 생성'은 1972년 영어로 번역되었으며 행성 탄생에 대한 과학자들의 사고에 길고 지속적인 영향을 끼쳤다. 이 책에서 거의 모든 중요한 행성생성과정의 문제들이 공식화 되었으며 그 중 일부는 해명되었다. 사프로노프의 가설들은 폭주강착을 발견한 조지 웨더릴의 논문에서 좀 더 진전되었다. 1978년 앤드류 프렌티스는 행성생성에 관한 초기 라플라스의 주장을 부활시켰으며 '현대 라플라스 이론'을 개발했다. 태양성운원반모형은 원래는 태양계의 탄생을 설명하기 위해 세워진 가설이었으나 이후 우리 은하에서 수천 개의 외계 행성들이 발견되면서 우주 전체에 걸쳐 유효한 가설로 인정받았다.
구상성단
또한 섀플리의 계산 결과, 태양은 그전까지 알려져 있던 것보다 은하중심에서 더 멀리 떨어져 있었다. 그전까지는 일반적인 별들의 고른 분포를 통해 태양의 상대적 위치를 알아냈었다. 이렇게 된 것은 별들은 은하원반에 분포하기 때문에 가스와 먼지에 의해 소광이 발생하는 반면, 구상성단들은 원반 위에 떠있기 때문에 소광이 덜해 훨씬 먼 거리에 있어도 볼 수 있기 때문이었다.
지구중심설
16세기에 니콜라우스 코페르니쿠스가 지동설을 주창한 뒤에도 천동설을 위협하는 사건은 계속되었다. 신성이 관측되어 별에서도 변화가 일어난다는 것이 발견되었는데, 이것은 달보다 먼거리에서는 어떠한 변화도 일어나지 않는다는 아리스토텔레스적인 우주관에서 큰 문제가 되었다. 또한 튀코 브라헤가 혜성을 관측하여 달보다 먼 곳에 있다는 것을 증명하여 격렬한 논쟁을 낳았다. 대부분은 혜성을 기상현상으로 생각했기 때문이었다.
태양중심설
고대에서 중세에 이르기까지 아리스토텔레스(Aristoteles, 384~322B.C.)의 우주관이 큰 영향력을 발휘했다. 아리스토텔레스의 우주는 크게 두 개의 세계로 나뉜다. 즉 우주의 중심인 지구로부터 달까지 이르는 달밑세계(sublunar world) 또는 지상계(terrestial world)와 달에서부터 그 바깥을 이르는 달윗세계(superlunar world) 또는 천상계(celestial world)로 구별되는 것이다. 지상계는 흙, 물, 공기, 불과 같은 4원소로 이루어져 있으나 천상계는 제5원소인 에테르(aether)로 구성되어 있다. 또한 두 세계에서는 일어나는 운동도 차이가 나는데, 지상계에서는 시작과 끝이 있는 직선운동이 주로 나타나지만, 천상계에서는 시작도 끝도 없는 완전한 운동인 등속원운동이 주로 존재한다. 아리스토텔레스는 태양이 중심에 있다는 이야기를 언급한 적이 있으나, 이는 매우 철학적인 수준의 언급이었다. 즉, 불인 태양은 지구보다 중요하기 때문에 우주의 가운데에 위치해야 한다는 관점이다.
과학과 종교의 관계
충돌론(제거론)은 과학과 종교가 상반된 입장을 취하면서 상대 분야를 적극적으로 배격하려는 행동이다. 대표적으로 과거 근세 유럽에서 벌어졌던 종교재판이나 현대에 벌어지는 진화론과 창조론간의 법정 분쟁이 그 사례이다. 갈릴레오는 기존 기독교 교회가 지지하고 있던 천동설 우주 구조에 위배되는 많은 사실들을 발견하여 코페르니쿠스의 태양 중심설을 강력히 옹호했다. 교회 당국은 코페르니쿠스의 우주론이 기독교의 교리를 위협하게 될 것이라 믿어 금지령을 내렸고, 지동설 지지자들을 종교 재판으로 강력하게 탄압하였다.
중세의 우주론
고대 인도에서도 천문학이 다양하게 발전하였는데 그 중 쿠수마푸라 출신의 아리아바타가 있었다. 그는 프톨레마이오스보다 후대에 태어났지만, 규칙적인 원운동에 바탕을 두고 있는 그의 행성 이론은 프톨레마이오스 이전 고대 그리스의 천문학 개념에서 발달된 듯 하다. 그리고 그는 천체의 움직임에 관한 이론을 세웠다. 해의 경우 "카크시아만달라"라는 황도면에 위치하며 지구를 중심으로 하는 원을 평균태양이 일정한 속도로 움직이고 있다. 이때 해는 평균태양이 운반하는 주전원을 궤도로 한다. 이 이론은 히파르코스의 이론 주전원의 비율이 다르다는 점을 제외하면 일치한다. 달에 대해서도 해의 움직임을 설명하는 원리와 같은 원리이지만 달의 주전원은 상대적으로 크다. 행성의 움직임을 설명할 때도 마찬가지로 주전원의 개념이 도입된다. 이로써 설명하기 힘든 불규칙성을 설명하기 위해서 그는 고대 그리스에서 이퀀트의 개념을 도입하기 전에 활용된 이심원과 주전원 이론과 비슷한 이론을 사용하였다. 아리아바타는 지구가 회전하고 있다고 믿었으며 그의 천문학 체계에서는 행성들의 기본적인 주기가 해에 상대적이라는 점으로부터 해가 지구 돌레를 도는 것이 아니라 지구가 해 둘레를 돈다는 지동설의 기본적인 이론의 가능성이 보였다.
과학혁명의 구조
예를 들어 쿤의 코페르니쿠스 혁명에 대한 분석은 처음에는 태양중심설이 천체 현상에 대한 지구중심설보다 더욱 정확한 예측을 제공하지 못하였으나, 미래의 어느 시점에서 발전할 더 나은, 더 간결한 해결책의 전망을 가진 실행자에게는 매력적인 이론이었다는 것을 강조하였다. 쿤은 우세한 혁명의 대한 핵심적 개념을 패러다임이라고 불렀으며, 이 단어를 20세기 후반에 광범위한 분석 활동에 활용하게 하였다. 패러다임의 전환은 사회학, 맹신, 과학적 전제의 혼합이며, 논리적으로 명확한 과정이 아니라는 쿤의 주장은 대단한 논쟁을 일으켰다. 쿤은 제2판의 1969년 후기에서 우려를 표한 바가 있다. 일부 평론가는 쿤의 책은 과학의 핵심에 실제적인 인문주의를 도입한 것으로 평가하는 반면, 다른 평론가는 가장 위대한 성취의 중심에 비이성적인 요소를 도입하여 과학의 고귀함을 파괴했다고 평가한다.
갈릴레이 위성
갈릴레이의 발견은 육안으로 아무것도 보이지 않거나 잘 보이지 않는 공간에서 망원경으로 어떤 천체를 발견해냈다는 점으로 천문학 도구로써 망원경의 중요성을 입증했다. 더 중요한 점은, 지구가 아닌 다른 천체를 도는 것은 지구중심설에 큰 타격을 주는 것이었다. 다른 천체들이 지구 주위를 돈다는 가설을 무너트리는 발견이었다. 갈릴레이는 '별 세계의 보고' (별이 빛나는 편지)를 통해 자신의 천체 관측 내용을 발표했다. 태양이 우주의 중심에 있다는 코페르니쿠스의 설을 명시적으로 언급하진 않았다. 그럼에도 불구하고 코페르니쿠스의 이론과 관련된 내용이 많이 나온다. 이러한 발견의 내용으로, 경도를 결정하는 방법을 개발할 수 있었다.
코페르니쿠스 혁명
젊은 케플러는 튀코 브라헤의 천문대에서 관측사로 일했는데, 브라헤의 조수였던 롱고몬타누스가 실패했던 화성의 궤도를 계산하는 일을 담당하게 되었다. 케플러가 이 일을 담당한 직후 브라헤가 사망하게 되었고 케플러는 브라헤가 남겨 놓은 엄청난 양의 정밀관측 자료를 토대로 화성의 궤도를 계산하였다. 케플러는 코페르니쿠스가 제안한 작은 주전원을 이용하여 튀코 브라헤의 관측 결과에 합치시키기 위해 무려 70번이나 계산을 하였다. 케플러는 이러한 계산 결과를 1609년에 출간하였으며, 이 결과는 《원인들에 근거한 새로운 천문학 혹은 화성의 운동에 대한 주석을 토대로 주창된 천체 물리학》이라는 책에 실렸다. 이 책은 코페르니쿠스로부터 시작된 태양중심설을 완성하였다.
지구중심설
14세기 우마이야 왕조의 다마스쿠스에 있던 이븐 알 샤티르(Ibn Al Shatir)는 천동설의 입장에서 동시심을 제거하여 코페르니쿠스와 같은 체계를 생각했다. 원운동에서 직선왕복운동을 일으키는 방법은 그에 앞서 13세기의 나시르 알 딘 알 투시(Nasir al-din al-Tusi)에 의해 제시되었다. 그들의 업적이 코페르니쿠스에게 영향을 미쳤을 가능성도 지적되지만, 그것을 입증하는 기록은 없다.
로버트 훅
보렐리는 행성들이 여러 힘을 받지만, 그 힘들이 서로 평형을 이루기 때문에 행성들이 안정된 궤도상을 움직인다고 믿었다. 이 문제에 대해 훅은 진전시키려는 시도를 하였다. 훅은 태양이 행성들에게 강력한 인력을 미칠 것이라고 생각했지만, 그 힘의 정확한 수학적 표현(훅은 그것이 자력일 것이라고 믿었다)은 얻지 못했다.
코페르니쿠스 혁명
코페르니쿠스는 《천구의 회전에 관하여》에서 행성들과 그 궤도는 단지 한 개의 중심인 태양이 있고, 지구는 우주의 중심이 아니라 달의 궤도와 중력의 중심일 뿐이라는 태양 중심 우주론(지동설)을 주장하였다. 그의 우주론은 프톨레마이오스의 지구 중심 우주론에서 지구와 태양의 위치를 바꾼 것으로, 그 동안 천문학에서 문제시되었던 점을 아래와 같이 해결하였다.그러나 코페르니쿠스의 우주 체계는 여전히 행성들의 원운동을 강력하게 고수하였으나, 우주가 천체들이 붙어 있는 투명한 수정구로 겹겹이 둘러쌓여 있다는 점을 의심하지 않았다. 게다가 그는 여전히 주전원과 이심원의 조합을 사용하였고, 아리스토텔레스의 물리학도 적용하고 있었다.
조선후기의 과학기술
홍대용과 박지원이 전개한 지구회전설은 대략 다음과 같다. "하늘이 만든 것에 모난 것(方物)은 없다. 작은 벌레의 몸뚱이나 빗방울이나 눈물과 침이라 할지라도 둥글지(圓) 않은 것은 아직 없다. 대저 산하대지(山河大地) 일월성수(日月星宿)가 모두 하늘에 의하여 지은 바 되었으나 아직 방수악성을 보지 못하였다. 그런즉 지(地)가 구(球)로 되었다는 것은 의심할 여지가 없다. 대저 그 형(形)은 즉 원(圓)이요 그 덕(德)은 즉 방(方)이고 사공(事功)은 즉 동(動)이며 성정(性情)은 즉 정(靜)이라 만일 대공(大空)에 땅이 정지하여 움직이지도 않고 돌지도 않고 괴연(塊然)히 하늘에 매달려 있다면 즉시 부수사토(腐水死土)하고 그 자리에서 썩고 헐어 부서져 버릴 것이다…." 그들은 태양·달·지구를 같은 부류로 보고 그것이 공중에 떠서 움직이니 지구도 회전한다는 3환설(三丸說)과 공통되는 이론을 전개하였고, 또 하늘이 만든 것에 둥글지 않은 것이 없으니 지구도 둥글고, 둥근 것은 반드시 돌게 마련이다 했고, 만일 대지(大地)가 움직이지도 않고 돌지도 않는다면 즉 부수사토할 것이 틀림없을 것인데 지상의 수목과 하천은 생동하고 있으니, 대지는 회전하고 있는 것이라는 이론이었다. 이 설(說)은 코페르니쿠스(Copernicus) 이론의 핵심인 대지는 구상(球狀)이고 구(球)가 하기 쉬운 운동은 회전이라는 것과 거의 같은 이론이다. 그들은 지구의 자전속도가 매우 빠르다는 사실은 알았으나 지구의 공전에 관해서는 모르고, 모든 천체는 지구를 중심으로 돌고 있다고 보았다.
태양계의
태양계의(太陽系儀, orrery)는 태양계의 천체들, 즉 태양, 행성, 위성들의 상대적인 위치와 운동을 표현한 모형이다. 그 개념과 유물은 고대 그리스 시절부터 존재했지만, 근대적인 태양계의는 1704년 찰스 보일 제4대 오러리 백작의 지원을 받은 조지 그레이엄이 발명했다. 후원자인 오러리 백작의 이름을 따서 영어로 태양계의를 오러리라고 한다.
태양계의 형성과 진화
헤아릴 수 없을 정도로 많은 항성 중에서 대부분은 태양처럼 행성을 거느린 것으로 여겨지고 있으므로, 태양계의 성인이 보통 항성의 경우와 다르다고는 생각되지 않는다. 태양계는 지금으로부터 약 46억 년 전, 거대한 분자 구름의 일부분이 중력 붕괴를 일으키면서 형성되었다. 붕괴한 질량 대부분은 중앙부에 집중되어 태양을 형성했다. 반면 나머지 물질은 행성, 위성, 소행성 및 다른 태양계 천체들을 형성하게 될, 얇은 원반 모양의 원시 행성계 원반으로 진화하였다. 이상의 가설은 성운 모형으로 가장 널리 받아들여진 태양계 생성 이론이며, 18세기에 에마누엘 스베덴보리를 비롯하여 이마누엘 칸트, 피에르시몽 라플라스가 개발했다.
지구중심설
프톨레마이오스 체계는 지구에서 달, 수성, 금성, 태양, 화성, 목성, 토성을 차례로 겹쳐놓았다. 튀코는 태양 주위를 수성과 금성이 회전하게 했다. 외행성의 경우에는 이심원과 주전원의 크기가 반전되었으며, 지름이 커진 주전원끼리 원래의 프톨레마이오스 체계에서 이심원끼리 겹쳐져있었던 것처럼 겹치게 되었다.
코페르니쿠스 혁명
이후 코페르니쿠스는 우주의 중심이 태양이라는 생각을 보다 구체적으로 발전시켜 1530년대에 그의 저서 《천구의 회전에 관하여》를 완성하였지만, 1543년까지 책의 출간을 미루었다. 그는 죽기 전 동료 신부 오시안더(Osiander)에게 책의 출간을 간곡히 부탁하였는데, 전해지는 이야기에 의하면 코페르니쿠스는 임종 직전에 출간된 책을 슬쩍 보았을 뿐이라고 한다. 이러한 점에 주목하여 과학사학자 토마스 쿤은 코페르니쿠스를 최초의 근대적 천문학자인 동시에 마지막 프톨레마이오스주의 천문학자였다고 평가하고 있다.
외계생명
세계에서 가장 먼저 외계 생명의 존재를 주장한 사람 중에서는 16세기 이탈리아의 철학자 조르다노 브루노가 있다. 그는 우주는 무한하므로 지구 말고도 많은 행성계가 있으며, 그곳에도 지구처럼 생물이 존재할 것이라고 주장했다. 아울러 갈릴레이와 코페르니쿠스 같은 당대의 유명한 학자들도 우주는 무한히 넓기 때문에 다른 생물체가 살고 있다고 강력히 주장했다.
케플러의 행성운동법칙
케플러의 제3법칙은 주기의 법칙이라고도 불린다.
이를 수식으로 나타내면 다음과 같다.
여기서
이다. 좀 더 비례 관계를 명확히 하면,
이다. 여기서
이다. 태양계에서 행성은 태양에 비해 훨씬 더 가벼우므로 (formula_18), 다음과 같이 근사할 수 있다.
따라서, 태양을 중심으로 하는 태양계 안의 모든 행성에 대해선 formula_20의 값이 모두 같다.
지구중심설
모든 행성이 동일한 평면에 있는 태양을 중심으로 하는 원궤도를 등속운동하고 있는 경우, 지구에서 본 행성의 운동은 원궤도와 하나의 주전원만으로 기술할 수 있을 것이다. 그러나 현실의 행성 운동은 그렇게 되어있지 않기 때문에, 행성의 운동을 천동설에서 정확하게 기술하기 위해서는 보다 복잡한 체계가 필요해진다. 따라서 히파르코스 이후 프톨레마이오스를 시작으로 다양한 천동설 모델이 제창되었고, 결국에는 지동설의 코페르니쿠스, 케플러를 거쳐, 아이작 뉴턴의 만유인력의 법칙에 따른 우주 모델에 이르게 된다.
니콜라우스 코페르니쿠스
두 번째는 행성들의 역행 운동에 대한 문제였다. 지구중심설로서 이를 설명하려면 주전원과 등속 중심 등을 사용하여 매우 복잡했지만 코페르니쿠스의 체계에서는 우주구조 자체로서 설명할 수 있게 되었다.
천구의 회전에 관하여
《천구의 회전에 관하여》에서 코페르니쿠스가 주장한 태양중심설은 정확히 어느 곳이 우주의 중심인가에 대해서는 애매한 입장을 취하고 있다. 코페르니쿠스는 별들이 멀리 떨어진 둥근 모양의 껍질에 있다고 믿었기 때문에, 이는 곧 지구의 공전궤도가 별들을 기준으로 했을때 깔끔하게 중앙에 위치하는지(이 경우 태양은 약간 중심에서 벗어난다), 아니면 태양 자체가 완전한 중심이어서 지구가 6월보다는 1월에 별로 이루어진 껍질에 더 가까이 가게 되는지에 대한 질문으로 연결되었다.
천구의 회전에 관하여
한 편, 태양중심설의 지지자였던 요하네스 케플러는 이 무명의 서문에 무척 분노했는데, 그 이유는 코페르니쿠스 자신도 태양중심설이 실제 태양계의 구조를 설명한 것이지 단순한 수학적 계산을 위한 장치가 아니라는 것을 알고 있었다고 생각했기 때문이다.
코페르니쿠스 혁명
코페르니쿠스의 태양중심설에 이러한 문제점이 있음에도, 과학 혁명기의 다른 과학자들에 의해 적극적으로 수용되고 발전된 이유는 신플라톤주의 때문이었다. 신플라톤주의는 자연에서의 단순성과 조화를 중요시하고, 미적 감각을 높이 평가하였기 때문에 이러한 신플라톤주의적 믿음이 주전원의 숫자를 약간 감소시킴으로써 보다 더 단순해진 우주 체계가 당시 천문학자들의 마음을 이끌리게 만들었던 것이다. 이런 점에서 코페르니쿠스 체계의 우월성은 사실상 사실적이라기보다는 개념적인 것이라고 할 수 있다.
니콜라우스 코페르니쿠스
기원전 3세기 무렵의 아폴로니우스와 기원전 2세기의 히파르코스는 행성이 단순히 원운동을 하는 것이 아니라, 원 위에 있는 작은 원 위를 움직인다고 생각했다. 이 작은 원을 주전원, 큰 원을 대원이라고 부른다. 두 가지 이상의 원운동이 합해져 행성의 진행방향이나 속도가 변화하는 것으로 보이며, 이것으로 행성의 접근에 의한 밝기 변화, 순행과 영행의 속도차이를 대략적으로 설명할 수 있다.
각각의 행성들을 관측해 보면, 이들은 항성들을 배경으로 동쪽으로 움직인다. 그러나 일 년에 한 번 정도 각각 다른 시기에 잠시 정지했다가, 몇 주 동안 서쪽으로 움직인다. 이런 현상을 ‘역행 운동’이라 부른다. 서기 150년 무렵 알렉산드리아의 천문학자 프톨레마이오스는 이런 역행 운동을 설명하기 위해 기하학적 모델을 제시했다. 그의 모델은 두 개의 원으로 구성되어 있다. 큰 원은 지구를 중심으로 회전하는 ‘모원’이다. 작은 원은 모원에 의해 운반되는 ‘주전원’이다. 행성은 주전원을 따라 돈다. 프톨레마이오스에 따르면, 이 두 원운동을 결합함에 따라 행성이 모원 속으로 들어가 지구에 가장 가까웠을 때, 하늘을 배경으로 하여 움직이는 것처럼 보인다.
겉보기 역행 운동
그러한 역행들 간의 기간은 관측하는 행성의 회합 주기에 부합한다.
겉보기 역행은 고대인들에게 수수께끼였으며, 그러한 천체들이 "행성들(planets)"이라고 이름 지어진 한가지 이유가 되었다.: ""플래닛"'(Planet)"은 그리스어로 "방랑자"를 뜻하는 단어에서 파생되었다. 태양계의 지구중심적 모형에서, 역행 운동은 행성이 이심원과 주전원으로 이동한다는 것으로 설명되었다. 코페르니쿠스의 생애 때까지 그것이 오인이라고 여겨지지 않았다. 옆의 움직이는 그림은 2003년에 물병자리를 배경으로 일어난 화성의 역행 운동을 보여준다.