أجرى علماء الفلك الأوائل ملاحظات منهجية للسماء في المساء، وأكتشفوا تحف فلكية خلال فترات مبكرة جداً. ومع ذلك، كان من الضروري اختراع التلسكوب قبل أن يتطور علم الفلك ليصبح من العلوم الحديثة. وشمل علم الفلك تخصصات متنوعة على مر التاريخ مثل القياسات الفلكية، والملاحة الفضائية، وعلم الفلك النسبي، ووضع التقاويم، وعلم التنجيم، ولكن علم الفلك الاحترافي يعتبر مرادفاً لعلم الفيزياء الفلكي.

ومنذ بداية القرن العشرين انقسم مجال علم الفلك إلى فرعي علم الفلك الرصدي وعلم الفلك النظري. ويركز علم الفلك الرصدي على استخدام المراصد الموجودة على الأرض والمراصد الفضائية لتجميع صور النجوم والكواكب وتحليل البيانات باستخدام أجهزة للرصد مثل التلسكوبات، كتلسكوب الأشعة تحت الحمراء وتلسكوبات الأشعة السينية وأشعة غاما. بينما يهتم علم الفلك النظري بصياغة نظريات وتطوير نماذج للعمليات الفيزيائية التي تجري في مختلف الأجرام السماوية من نجوم ومجرات وتجمعات المجرات وانفجارات أشعة غاما التي تحدث في بعض النجوم، وحسابها بالحاسب الآلي أو النماذج التحليلية في محاولات للتوفيق بين الحسابات مع ما تؤتي به القياسات لفهم وتفسير مختلف الظواهر الفلكية وتأثيرها على الأرض والإنسان. ويكمل الفرعيين بعضهما البعض، حيث يسعى علم الفلك النظري إلى تفسير النتائج الرصدية والظواهر الفلكية، وتكون المشاهدة العملية التي نحصل عليها من الرصد هي الحاكم على صحة النتائج النظرية.

إن ما يهم الإنسان أن يعرف كم هو عمر الكون، وكيف نشأ ؟ وكم بلغ عمر الشمس؟ وإلى متى سوف تمدنا الشمس بالحرارة والحياة؟ وكيف تكون نهايتها؟ ومتى؟ وهل سيبقى مدار كوكب الأرض حول الشمس كما هو أم سيتغير مداره في المستقبل؟

ويمدنا الرصد الفلكي لصور الآلاف المؤلفة من النجوم التي توجد في مختلف الأعمار، حيث أنها تنشأ ثم تموت، فما هي إلا شموس مثل شمسنا تمدنا صورها بمعلومات للتعرف عليها ودراستها.

وساهم الفلكيون الهواة في العديد من الاكتشافات المهمة، حيث يعتبر علم الفلك من العلوم القليلة التي يمكن للهواة أن يلعبوا فيها دوراً هاماً، وخاصة في اكتشاف ورصد الظواهر العابرة.

لا يجب أن يكون هناك خلط بين تعريف علم الفلك القديم وبين علم التنجيم، وهو نظام يعتقد أن هناك علاقة بين الشؤون الإنسانية ومواضع الأجسام السماوية. يختلف "علم التنجيم" و علم الفلك تماماً عن بعضهما البعض على الرغم من أنهما يتشاركون في الأصل ، وفي جزء من الوسائل وهو استخدام التقويم الفلكي.

وأعلنت الأمم المتحدة عام 2009 ليصبح السنة الدولية لعلم الفلك (IYA2009), وهي تهدف إلى التأكيد على الوعي الجماهيري والتعامل مع علم الفلك.

يساهم الفيزيائيون المختصون بدراسة الجسيمات الأولية ، ويساهمون في علم الفلك لأن خواص الجسيمات الأولية تتحكم في نشأة وتطور ومصير الكون. ولا تكفي معرفتنا عن البروتونات والنيوترونات والجسيمات التي نعرفها لتفسير تطور الكون، ولذلك يبحث الفيزيائيون في طرق التاثر بين الجسيمات، أي محاولة فهم القوى التي تتحكم في سلوكها مع بعضها البعض، كما يبحثون عن جسيمات ربما لا زلنا لا نعرفها مستخدمين لذلك معجلات للجسيمات عالية الطاقة مثل مكشاف مصادم فيرميلاب ومصادم الهادرونات الكبير. وتظهر في المعجلات جسيمات غريبة تظهر وتختفي في أجزاء قصيرة جدا من الثانية، ولكنها تنتمي بالطبع إلى "الموجودات " في الكون، وربما لعبت في الماضي دورا مهما في نشأة الكون. وهنا يتعاون الفيزيائيون من علماء الجسيمات مع الفيزيائيين من علماء الفلك.

علم الفلك والفيزياء الفلكية

استخدام مصطلحي "علم الفلك" و"الفيزياء الفلكية"

وعادةً يمكن استخدام مصطلح "علم الفلك" أو "الفيزياء الفلكية" للإشارة لهذا العلم. ووفقاً لتعريفات القواميس الدقيقة، يشير "علم الفلك" إلى "دراسة الأجسام والمواد الموجودة خارج الغلاف الجوي ودراسة خصائصهم الفيزيائية والكيميائية"، بينما تشير "الفيزياء الفلكية" إلى فرع من فروع علم الفلك الذي يهتم بـ"الخصائص الفيزيائية والسلوكية والعمليات الديناميكية للأجسام والظواهر السماوية". وفي بعض الحالات، يمكن استخدام "علم الفلك" لوصف الدراسة النوعية للموضوع، بينما يمكن أن تشير "الفيزياء الفلكية" إلى نسخة الموضوع الفيزيائية، كما هو الحال في مقدمة كتاب الكون الفيزيائي بقلم فرانك شو. وحيث أن معظم الأبحاث الفلكية الحديثة تتعامل مع مواضيع فيزيائية، يمكن أن يطلق على علم الفلك الحديث بالفيزياء الفلكية.. ويمكن أن تستخدم العديد من الأقسام الباحثة في هذا الموضوع مصطلحي "علم الفلك" و"الفيزياء الفلكية"، وذلك يعتمد جزئياً على ما إذا كان القسم مرتبط تاريخياً بقسم الفيزياء، ونجد أن هناك كثير من الفلكيين المحترفين قد حصلوا على درجات علمية في علم الفيزياء، وتعد مجلة الفلك والفيزياء الفلكية من المجلات العلمية الرائدة في هذا المجال.

تاريخ علم الفلك

وتكون علم الفلك في العصور المبكرة من الملاحظات والتنبؤات حول حركة الأجسام التي يمكن رؤيتها بالعين المجردة. جمَّعت الثقافات القديمة قطع أثرية ضخمة ذات أغراض فلكية، وذلك في بعض الأماكن مثل ستونهينج. ويمكن توظيف تلك النقاط الرصدية لتحديد الفصول، بالإضافة إلى الاستخدامات الاحتفالية. وهو عامل مهم لمعرفة متى يمكن زراعة المحاصيل، وفهم طول العام.

وقبل اختراع التليسكوب، كانت الدراسات المبكرة للنجوم تجرى من خلال أماكن الرصد المتاحة في ذلك الوقت، مثل المباني والأراضي المرتفعة باستخدام العين المجردة. ومع تطور الحضارات، تم تجميع نقاط الرصد الفلكية في كل من العراق القديمة، واليونان، ومصر القديمة، وبلاد فارس، ووحضارة المايا في أمريكا الجنوبية، والهند، والصين، والنوبة، ولقد تطور علم الفلك في عهد الحضارة الإسلامية خلال العصور الوسطى، بالإضافة إلى إن الفلكيون العرب والمسلمون طرحوا أفكارا حول طبيعة الكون، وشملت معظم علوم الفلك المبكرة رسم الخرائط لمواقع النجوم والكواكب، وهو علم يطلق عليه علم القياسات الفلكية، ومن خلال هذه الملاحظات، تم تكوين أفكار مبدئية حول تحركات الكواكب، بالإضافة إلى الأفكار الفلسفية لطبيعة الشمس، والقمر، وكوكب الأرض في الكون. وكان يعتقد بأن كوكب الأرض هو مركز الكون، وأن الشمس والقمر والنجوم تدور حوله. ويعرف ذلك الاعتقاد بالنموذج الهندسي لمركزية الأرض، ثم جاء الفلكيون العرب فبينوا خطأ ذلك ومنهم البيروني.

وظهرت العديد من الاكتشافات الفلكية المهمة قبل تطبيق استخدام التليسكوب. فعلى سبيل المثال، قدر علماء الفلك الصينيون انحراف مسير الشمس في عام 1000 قبل الميلاد. واكتشف علم الفلك البابلي الكلدانيون أن الخسوف القمري يحدث داخل دائرة متكررة تسمى دورة الخسوف بدائرة الخسوف. وفي القرن الثاني قبل الميلاد، قدر هيبارخوس حجم القمر والمسافة بينه وبين كوكب الأرض. ولقد أكتشف عالم الفلك عبد الرحمن الصوفي في عام 964 مجرة المرأة المسلسلة، وهي أقرب مجرة لمجرتنا درب التبانة، وهو أول من وصفها في كتاب صور الكواكب الثمانية والأربعين . ولاحظ عالم الفلك العربي علي ابن رضوان والفلكيون الصينيون في عام 1006 المستعر الأعظم م أ 1006، وهو أكثر الأحداث النجمية سطوعاً من حيث القدر الظاهري في التاريخ.

ويعتبر جهاز المعداد (آلة العداد Antikythera mechanism) أكثر الأجهزة الفلكية شهرةً في العصور المبكرة، وهو آلة يونانية قديمة يستخدم لحساب حركة الكواكب التي يرجع تاريخها إلى حوالى 150-80 قبل الميلاد، بالإضافة إلى أنه أقدم حاسوب فلكي تناظري، وقام الفلكيون العرب بإنشاء أجهزة حاسوب فلكية تناظرية كالأصْطُرلاب، وهو آلة فلكية قديمة وأطلق عليه العرب ذات الصفائح، وقاس العالم الفلكي أبو الريحان البيروني محيط الكرة الأرضية، كما حدد أوقات الخسوف والكسوف، وحدد علماء العرب منازل القمر وبينوا مواضع الكواكب حول الشمس وطبيعة النجوم واختلافها عن الكواكب في مخطوطات عدة.

كما طور أبو الريحان البيروني معادلة رياضية لاستخراج محيط الأرض بطريقة علمية بسيطة، وهذه المعادلة لحساب محيط الأرض لا تزال مستعملة حتى يومنا هذا، وعرفت عند علماء الغرب والشرق بقاعدة البيروني لحساب نصف قطر الأرض.

وخلال العصور الوسطى، ظل علم الفلك الرصدي ثابتاً في أوروبا حتى القرن الثالث عشر على الأقل. ومع ذلك، ازدهر علم الفلك في العالم الإسلامي وأجزاء أخرى من العالم.وهناك بعض علماء الفلك العرب البارزين الذين ساهموا بشكل كبير في ذلك العلم مثل البتاني، وثابت ابن قرة، وعبد الرحمن بن عمر الصوفي، وجعفر بن محمد أبي معشر البلخي والبيروني، وأبو إسحاق إبراهيم الزرقالي ومرصد المراغي مدرسة الماراغي، وعلي قوجي علي الكوشجي، والبرجندي، وتقي الدين وغيرهم. كما قدم علماء الفلك في ذلك الوقت أسماء عربية تستخدم حالياً للعديد من النجوم الفردية. 

وكان يعتقد أن بقايا المباني في زيمبابوي العظمى وتمبكتو تضم مرصداً فلكياً. واعتقد الأوروبيون في الماضي أنه لا يوجد رصد فلكي في أفريقيا شبه الصحراوية في العصور الوسطي قبل الاستعمار، ولكن أثبتت الاكتشافات الحديثة العكس.