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A Astronomia é provavelmente a ciência natural mais antiga, datando a épocas da Antiguidade, com suas origens em praticas religiosas pré-históricas: vestígios dessas práticas que ainda são encontrados na astrologia, uma disciplina que por muito tempo foi entrelaçada com a astronomia e, no mundo ocidental, não muito diferente da mesma até aproximadamente 1750-1800. A astronomia antiga baseava-se na observação dos padrões regulares dos movimentos de objetos celestiais visíveis, especialmente o Sol, a Lua, estrelas, e os planetas vistos à olho nu.
Astrônomos da antiguidade eram capazes de diferenciar entre uma estrela e uma planeta, já que as estrelas permaneciam relativamente fixas durante os séculos enquanto planetas moviam-se consideravelmente em um tempo comparativamente menor.
Culturas antigas identificavam objetos celestes com deuses e espíritos. Eles relacionavam esses objetos (e seus movimentos) a fenômenos como a chuva, estações, secas, e marés. Normalmente acredita-se que os primeiros astrônomos profissionais foram sacerdotes (como os Magi), e seu conhecimento do "céu" era visto como "divino", daí se origina a antiga conexão com o que é conhecido atualmente como astrologia. Antigas estruturas que apresentavam alinhamentos astronômicos (como o Stonehenge na Inglaterra e as Rochas de Carnac na França) provavelmente preenchiam tanto funções astronômicas quanto religiosas. Calendários ao redor mundo normalmente são fixados em relação ao Sol ou a Lua (medindo-se o dia, o mês e o ano), e tinham grande importância para sociedades agrícolas, onde a colheita dependia do plantio em uma época correta do ano. O calendário moderno mais comum é baseado no calendário Romano, que é dividido em 12 meses que alternam em meses de trinta e trinta e um dias. Em 46 a.C. o líder romano Julio César intigou uma reforma no calendário e criou uma forma de ano bissexto.
Os gregos antigos desenvolveram a astronomia, a qual eles relacionavam como um ramo da matemática, a um nível bem sofisticado. O primeiro astrônomo a desenvolver um modelo geométrico de três - dimensões para explicar o movimento aparente dos planetas foi Eudoxo de Cnido no século IV a.C; seu modelo era baseado em esferas homocéntricas, e era Geocentrismo|geocêntrico. Seu contemporâneo mais jovem Heraclides do Ponto propôs que a Terra rodavam ao redor de seu eixo.
Aristóteles (384-322 a.C) desenvolveu uma idéia de Universo, com a Terra no seu centro e com todo o resto rodando ao seu redor em órbitas que eram círculos perfeitos, que tinha um poder explanatório considerável e prevaleceu por séculos. Ao desenvolver e popularizar esse modelo cosmológico, Aristóteles tenha talvez mais prejudicado o conhecimento do que o ajudado.
O estudo da astronomia pelos gregos antigos não eram limitado somente à Grécia, mas foi posteriormente desenvolvido nos séculos II e III a.C, nos estados helenísticos e em particular na Alexandria. No terceiro século a.C., Aristarco de Samos foi o primeiro a propor um sistema heliocêntrico, além de calcular a distância da Terra, da Lua e do Sol. Eratóstenes , usando ângulos de sombras criadas em regiões totalmente distintas, estimou a circunferência da Terra com uma grande precisão.
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