บันทึกผลสังเกตการณ์หน้าหนึ่งของกาลิเลโอซึ่งระบุถึงการเฝ้าสังเกตดาวบริวารของดาวพฤหัสบดี ในเดือนมกราคม ค.ศ. 1610 อันขัดแย้งกับความเชื่อในยุคนั้นว่า วัตถุท้องฟ้าทุกอย่างล้วนโคจรรอบโลกคาบการปรากฏของดาวศุกร์ ซึ่งกาลิเลโอสังเกตพบในปี ค.ศ. 1610ภาพสเก็ตช์ดวงจันทร์จากการสังเกตของกาลิเลโอ

กล้องโทรทรรศน์ได้รับการคิดค้นขึ้นครั้งแรกในประเทศเนเธอร์แลนด์เมื่อ ค.ศ. 1608 โดยมีรายละเอียดค่อนข้างหยาบ กาลิเลโอเองก็ได้สร้างกล้องโทรทรรศน์ของตนขึ้นในปีถัดมาโดยมีกำลังขยายเพียง 3 เท่า ต่อมาเขาได้สร้างกล้องอื่นขึ้นอีกและมีกำลังขยายสูงสุด 30 เท่า[24] จากเครื่องมือที่ดีขึ้นเขาสามารถมองเห็นภาพต่าง ๆ ในที่ไกล ๆ บนโลกได้ดีขึ้น ในยุคนั้นเรียกกล้องโทรทรรศน์ว่า กล้องส่องทางไกล (Terrestrial telescope หรือ Spyglass) กาลิเลโอยังใช้กล้องนี้ส่องดูท้องฟ้าด้วย เขาเป็นหนึ่งในบรรดาไม่กี่คนในยุคนั้นที่สามารถสร้างกล้องที่ดีพอเพื่อการนี้ วันที่ 25 สิงหาคม ค.ศ. 1609 เขาสาธิตกล้องส่องทางไกลเป็นครั้งแรกให้แก่พ่อค้าชาวเวนิส ซึ่งพวกพ่อค้าสามารถเอาไปใช้ในธุรกิจการเดินเรือและกิจการค้าของพวกเขา กาลิเลโอเผยแพร่ผลสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์ผ่านกล้องส่องทางไกลครั้งแรกในเดือนมีนาคม ค.ศ. 1610 ในบทความสั้น ๆ เรื่องหนึ่งชื่อ Sidereus Nuncius (ผู้ส่งสารแห่งดวงดาว)

วันที่ 7 มกราคม ค.ศ. 1610 กาลิเลโอได้ใช้กล้องส่องทางไกลของเขาเฝ้าสังเกตบางสิ่งที่เขาบรรยายในเวลานั้นว่าเป็น "ดาวนิ่ง ๆ สามดวงที่มองไม่เห็น2 เพราะมีขนาดเล็กมาก" ดาวทั้งสามดวงอยู่ใกล้กับดาวพฤหัสบดี และตั้งอยู่ในระนาบเดียวกันทั้งหมด[25] การสังเกตการณ์ในคืนต่อ ๆ มาปรากฏว่า ตำแหน่งของ "ดาว" เหล่านั้นเมื่อเทียบกับดาวพฤหัสบดีมีการเปลี่ยนแปลงในแบบที่ไม่สามารถอธิบายได้หากพวกมันเป็นดาวฤกษ์จริง ๆ วันที่ 10 มกราคม กาลิเลโอบันทึกว่า หนึ่งในดาวทั้งสามได้หายตัวไป ซึ่งเขาอธิบายว่ามันไปหลบอยู่ด้านหลังดาวพฤหัสบดี ภายในเวลาไม่กี่วันเขาก็สรุปได้ว่าดาวเหล่านั้นโคจรรอบดาวพฤหัสบดี3 กาลิเลโอได้ค้นพบดาวบริวารที่ใหญ่ที่สุดของดาวพฤหัสบดีสามในสี่ดวง คือ ไอโอ ยูโรปา และคัลลิสโต ต่อมา เขาค้นพบดาวบริวารดวงที่สี่คือแกนีมีด ในวันที่ 13 มกราคม กาลิเลโอตั้งชื่อดาวบริวารทั้งสี่ที่เขาค้นพบว่าเป็น ดาวเมดิเซียน เพื่อเป็นเกียรติแก่ผู้อุปการะของเขา คือ โคสิโมที่ 2 เดอ เมดิชิ แกรนด์ดยุคแห่งทัสกานี และน้องชายของเขาอีกสามคน[4] แต่ต่อมาในภายหลัง นักดาราศาสตร์ได้ตั้งชื่อแก่ดวงจันทร์เหล่านั้นเสียใหม่ว่า ดวงจันทร์กาลิเลียน เพื่อเป็นเกียรติแก่กาลิเลโอเอง

ดาวเคราะห์ที่มีดาวขนาดเล็กกว่าโคจรโดยรอบเป็นสิ่งที่ขัดแย้งกับแนวคิดพื้นฐานของจักรวาลของอริสโตเติล ซึ่งถือว่าวัตถุบนท้องฟ้าทุกอย่างล้วนต้องโคจรรอบโลก[26] ในระยะแรก นักดาราศาสตร์และนักปรัชญาจำนวนมากจึงไม่ยอมเชื่อสิ่งที่กาลิเลโอค้นพบ[25]

กาลิเลโอยังคงเฝ้าสังเกตดวงจันทร์เหล่านั้นต่อไปอีกถึง 18 เดือน จนกระทั่งถึงกลางปี 1611 เขาก็สามารถประมาณรอบเวลาโคจรของมันได้ ซึ่งเป็นสิ่งที่เคปเลอร์เคยคิดว่าเป็นไปไม่ได้[25]

นับแต่เดือนกันยายน ค.ศ. 1610 กาลิเลโอสังเกตเห็นคาบการปรากฏของดาวศุกร์มีลักษณะคล้ายคลึงกันกับคาบปรากฏของดวงจันทร์ แบบจำลองแบบดวงอาทิตย์เป็นศูนย์กลางของนิโคลัส โคเปอร์นิคัสเคยทำนายคาบปรากฏเหล่านี้ไว้ว่า ถ้าดาวศุกร์โคจรรอบดวงอาทิตย์ ซีกดาวด้านที่ได้รับแสงจะหันหน้ามาสู่โลกยามที่มันอยู่ฝั่งตรงกันข้ามของดวงอาทิตย์กับโลก และจะหันหนีไปจากโลกยามที่มันอยู่ฝั่งเดียวกันกับโลก ตรงกันข้ามกับแบบจำลองแบบโลกเป็นศูนย์กลางของทอเลมี ซึ่งทำนายว่า เราจะสามารถมองเห็นได้แต่เพียงเสี้ยวดาวเท่านั้น จากความเชื่อว่าดาวศุกร์โคจรอยู่ใกล้โลกมากกว่าดวงอาทิตย์ ผลการสังเกตการณ์คาบปรากฏของดาวศุกร์ของกาลิเลโอพิสูจน์ว่ามันโคจรรอบดวงอาทิตย์จริง และยังสนับสนุนแบบจำลองแบบดวงอาทิตย์เป็นศูนย์กลางด้วย (แม้จะยังพิสูจน์ไม่ได้) อย่างไรก็ดี เมื่อผลสังเกตการณ์นี้ล้มล้างแนวคิดแบบจำลองจักรวาลของทอเลมีลง มันจึงกลายเป็นผลสังเกตการณ์ที่สำคัญอย่างยิ่ง และพลิกแนวคิดแบบจำลองระหว่างโลก-ดวงอาทิตย์เป็นศูนย์กลาง เช่นแบบจำลองของไทโค บราเฮ และแบบจำลองของมาร์เทียนัส คาเพลลา ไม่ต้องสงสัยเลยว่า ผลงานชิ้นนี้เป็นงานสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์ของกาลิเลโอที่สำคัญที่สุดในประวัติศาสตร์

กาลิเลโอยังสังเกตการณ์ดาวเสาร์ด้วย ในช่วงแรกเขาเข้าใจผิดว่าวงแหวนของดาวเสาร์เป็นดาวเคราะห์ และคิดว่ามันเป็นระบบดาวที่มีสามดวง ภายหลังเมื่อเขาเฝ้าสังเกตดาวเสาร์อีก แนวแกนของวงแหวนได้หมุนตัวมาทางโลก ทำให้เขาคิดว่าดาวอีกสองดวงหายตัวไป วงแหวนปรากฏขึ้นอีกครั้งในการสังเกตการณ์ใน ค.ศ. 1616 ซึ่งทำให้เขาสับสนงุนงงมากยิ่งขึ้น[27]

กาลิเลโอเป็นหนึ่งในชาวยุโรปกลุ่มแรก ๆ ที่สังเกตเห็นจุดดับบนดวงอาทิตย์ แม้ว่าเคปเลอร์ได้ค้นพบจุดดับแห่งหนึ่งโดยไม่ตั้งใจในปี 1607 แต่เข้าใจผิดว่ามันเป็นดาวพุธที่เคลื่อนผ่านมา เขายังแปลความงานสังเกตการณ์จุดดับนี้ในยุคกษัตริย์ชาร์เลอมาญเสียใหม่ (ในครั้งนั้นก็เคยเข้าใจผิดว่าเป็นการเคลื่อนผ่านของดาวพุธ) การค้นพบจุดดับบนดวงอาทิตย์เป็นอีกปรากฏการณ์หนึ่งที่แสดงถึงความไม่สมบูรณ์แบบของสรวงสวรรค์ เป็นการขัดแย้งกับความเชื่อในฟิสิกส์ท้องฟ้าดั้งเดิมของอริสโตเติล แต่การค้นพบจุดดับตามรอบเวลาเช่นนี้ยังเป็นการยืนยันแนวคิดของเคปเลอร์ที่ปรากฏในนิยายเรื่องหนึ่งของเขาในปี ค.ศ. 1609 คือ Astronomia Nova (แอสโตรโนเมีย โนวา) ซึ่งทำนายว่าดวงอาทิตย์ก็หมุนรอบตัวเอง ปี ค.ศ. 1612-1613 ฟรานเชสโก ซิสซี และนักดาราศาสตร์คนอื่นอีกหลายคนต่างค้นพบการเคลื่อนที่ของจุดดับบนดวงอาทิตย์ตามรอบเวลาอีก[25] เป็นหลักฐานสำคัญที่ค้านต่อแนวคิดแบบจำลองของทั้งทอเลมีและไทโค บราเฮ[28] ซึ่งอธิบายว่าดวงอาทิตย์โคจรรอบโลกหนึ่งรอบในหนึ่งวัน แต่การพบตำแหน่งจุดดับและการเคลื่อนตัวของจุดดับไม่เป็นไปตามนั้น มันกลับเป็นไปได้มากกว่าเมื่ออธิบายว่า โลกต่างหากที่หมุนหนึ่งรอบในหนึ่งวัน และแบบจำลองที่ถูกต้องมากที่สุดคือแบบจำลองที่มีดวงอาทิตย์เป็นศูนย์กลางของจักรวาล การค้นพบจุดดับบนดวงอาทิตย์ตลอดจนคำอธิบายปรากฏการณ์นี้นำมาซึ่งเหตุอาฆาตอย่างรุนแรงและยาวนานระหว่างกาลิเลโอกับพระนิกายเยซูอิต ชื่อ คริสตอฟ ไชเนอร์ ซึ่งอันที่จริงคนทั้งสองก็ตกเป็นเป้าของเดวิด ฟาบริเชียสและโจฮันเนสผู้บุตร ซึ่งคอยคำยืนยันการทำนายของเคปเลอร์ที่ว่าดวงอาทิตย์หมุนรอบตัวเอง ไชเนอร์ยอมรับข้อเสนอแบบกล้องโทรทรรศน์ใหม่ของเคปเลอร์ในปี ค.ศ. 1615 ทันที ซึ่งทำให้เขาเห็นภาพได้ใหญ่ขึ้น เพียงแต่ต้องกลับหัว ส่วนกาลิเลโอดูจะไม่ยอมรับการออกแบบของเคปเลอร์

กาลิเลโอยังเป็นบุคคลแรกที่รายงานการค้นพบภูเขาและแอ่งบนดวงจันทร์ ซึ่งเขาแปลความจากภาพแสงและเงาบนพื้นผิวดวงจันทร์ เขายังประเมินความสูงของภูเขาเหล่านั้นอีกด้วย เขาสรุปผลสังเกตการณ์ครั้งนี้ว่า ดวงจันทร์ก็ "ขรุขระเหมือนอย่างพื้นผิวโลกนี้เอง" ไม่ใช่ทรงกลมสมบูรณ์แบบตามที่อริสโตเติลเคยบอกไว้ กาลิเลโอเคยสังเกตการณ์ดาราจักรทางช้างเผือก ซึ่งแต่เดิมเขาคิดว่าเป็นกลุ่มแก๊ส เขาพบว่าทางช้างเผือกอัดแน่นไปด้วยดาวฤกษ์จำนวนมาก หนาแน่นเสียจนเมื่อมองจากพื้นโลกแล้วเราเห็นมันเป็นเหมือนเมฆ เขายังระบุตำแหน่งดาวอีกหลายดวงที่อยู่ไกลมาก ๆ จนไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า กาลิเลโอเคยสังเกตพบดาวเนปจูนในปี ค.ศ. 1612 แต่ไม่รู้ว่ามันเป็นดาวเคราะห์ จึงไม่ได้ให้ความใส่ใจเป็นพิเศษ ดาวเนปจูนปรากฏอยู่ในสมุดบันทึกของเขาเป็นหนึ่งในบรรดาดาวฤกษ์ริบหรี่ที่ไม่โดดเด่นนัก

การโต้เถียงเรื่องดาวหาง

ปาฐกถาว่าด้วยดาวหาง ค.ศ. 1619

ปี ค.ศ. 1619 กาลิเลโอมีเรื่องยุ่งยากในการโต้เถียงกับคุณพ่อออราซิโอ กราสซี ศาสตราจารย์ด้านคณิตศาสตร์แห่งวิทยาลัยเกรกอเรียนในลัทธิเยซูอิด เหตุเนื่องมาจากความเห็นขัดแย้งเกี่ยวกับธรรมชาติของดาวหาง เมื่อกาลิเลโอตีพิมพ์เผยแพร่ อิลซัจจาโตเร (อิตาลี: Il Saggiatore) ในปี ค.ศ. 1623 เป็นการวางหมากสุดท้ายในการโต้แย้ง เรื่องก็ลุกลามเป็นข้อวิวาทใหญ่โตเกี่ยวกับวิทยาศาสตร์ธรรมชาติโดยทั่วไป เพราะใน อิลซัจจาโตเร บรรจุแนวคิดมากมายของกาลิเลโอว่าวิธีปฏิบัติที่ถูกต้องของวิทยาศาสตร์ควรดำเนินการอย่างไร หนังสือนี้ต่อมาเป็นที่อ้างอิงถึงในฐานะคำประกาศแนวคิดวิทยาศาสตร์ของกาลิเลโอ[29][4]

ช่วงต้นปี ค.ศ. 1619 คุณพ่อกราสซีได้เขียนบทความเผยแพร่แบบไม่เผยนามชุดหนึ่ง ชื่อ "ข้อโต้แย้งทางดาราศาสตร์ว่าด้วยดาวหางสามดวงแห่งปี ค.ศ. 1618"[30] ซึ่งอภิปรายลักษณะของดาวหางที่ปรากฏในช่วงเดือนพฤศจิกายนปีก่อนหน้า กราสซีสรุปว่าดาวหางเป็นวัตถุเพลิงที่เคลื่อนไปบนเส้นทางช่วงหนึ่งของวงกลมวงใหญ่ด้วยความเร็วคงที่ออกจากโลก[25][30] โดยที่มันอยู่ในตำแหน่งเลยดวงจันทร์ออกไปเล็กน้อย

ข้อโต้แย้งและข้อสรุปของกราสซีถูกวิจารณ์ในงานเขียนต่อเนื่องที่ออกมา คือ "ปาฐกถาว่าด้วยดาวหาง" (Discourse on the Comets) [31] ตีพิมพ์ในชื่อของลูกศิษย์คนหนึ่งของกาลิเลโอ คือทนายชาวฟลอเรนซ์ชื่อมาริโอ กุยดุชชี แม้ว่าเนื้อหาส่วนใหญ่จะเขียนโดยกาลิเลโอเอง[29] กาลิเลโอกับกุยดุชชีไม่ได้เสนอทฤษฎีที่แน่ชัดอย่างไรเกี่ยวกับธรรมชาติของดาวหาง[29] แต่ก็ได้เสนอการคาดเดาบางประการซึ่งปัจจุบันเรารู้แล้วว่าเป็นการคาดเดาที่ผิด

ในบทนำเรื่องของปาฐกถา กาลิเลโอกับกุยดุชชีกล่าวดูหมิ่นคริสตอฟ ไชเนอร์[31] และยังเอ่ยถึงบรรดาศาสตราจารย์แห่งวิทยาลัยเกรกอเรียนอย่างไม่สุภาพหลายแห่ง ซึ่งชาวเยซูอิตเห็นว่าเป็นการหมิ่นประมาท[29][4] กราสซีเขียนโต้ตอบอย่างรวดเร็วโดยแสดงวิถีปรัชญาของตนใน "สมดุลแห่งปรัชญาและดาราศาสตร์" (The Astronomical and Philosophical Balance) [30] โดยใช้นามแฝงว่า โลทาริโอ ซาร์สิโอ ไซเกนซาโน4 และอ้างว่าเป็นหนึ่งในบรรดาศิษย์ของเขา

อิลซัจจาโตเร เป็นระเบิดที่กาลิเลโอเขียนตอบกลับไป หนังสือนี้เป็นที่ยอมรับอย่างกว้างขวางว่าเป็นงานชิ้นเอกในวงวรรณกรรมปรัชญาพิจารณ์[4][17] โดยที่ข้อโต้แย้งของ "ซาร์สิโอ" ถูกสับแหลกไม่เหลือชิ้นดี หนังสือเล่มนี้ได้รับการตอบรับอย่างกว้างขวาง โดยเฉพาะอย่างยิ่งเป็นที่โปรดปรานของพระสันตปาปาองค์ใหม่ คือ เออร์บันที่ 8 ซึ่งมีชื่ออยู่ในคำอุทิศของหนังสือด้วย[29]

ความขัดแย้งระหว่างกาลิเลโอกับกราสซีสร้างความบาดหมางกับพระเยซูอิดหลายคนอย่างไม่อาจลบล้างได้ ทั้งที่หลายคนก็เคยมีใจโอนเอียงเห็นด้วยกับความคิดของกาลิเลโอมาก่อน[29] ในเวลาต่อมา กาลิเลโอกับเพื่อนของเขาเชื่อว่ากลุ่มพระเยซูอิดเหล่านี้มีส่วนสำคัญในการที่เขาถูกลงโทษจากศาสนจักร แม้ว่าจะไม่มีหลักฐานเพียงพอสำหรับเหตุผลข้อนี้ก็ตาม[4]

กาลิเลโอกับเคปเลอร์ และทฤษฎีน้ำขึ้นน้ำลง

พระคาร์ดินัลเบลลาร์ไมน์ได้เขียนไว้เมื่อปี ค.ศ. 1615 ว่า ระบบของโคเปอร์นิคัสไม่มีทางเป็นไปได้โดยปราศจาก "ข้อมูลทางฟิสิกส์อย่างแท้จริงว่าดวงอาทิตย์ไม่ได้โคจรรอบโลก แต่เป็นโลกโคจรรอบดวงอาทิตย์"[32] กาลิเลโอศึกษาทฤษฎีเกี่ยวกับปรากฏการณ์น้ำขึ้นน้ำลง เพื่อหาข้อมูลทางฟิสิกส์ที่จะพิสูจน์การเคลื่อนที่ของโลก ทฤษฎีนี้มีความสำคัญต่อกาลิเลโอมากจนเขาเกือบจะตั้งชื่อบทความ เรียงความเรื่องระบบหลักสองระบบ เป็น เรียงความเรื่องน้ำลงและการไหลของทะเล[32] สำหรับกาลิเลโอ ปรากฏการณ์น้ำขึ้นน้ำลงเกิดจากการเคลื่อนตัวขึ้นและลงของน้ำทะเลไปจากตำแหน่งของผิวโลก ซึ่งจะเพิ่มขึ้นหรือลดลงเนื่องจากการที่โลกหมุนตัวไปรอบ ๆ แกนและเคลื่อนไปรอบดวงอาทิตย์ กาลิเลโอเผยแพร่งานเขียนเกี่ยวกับปรากฏการณ์น้ำขึ้นน้ำลงเมื่อปี ค.ศ. 1616 โดยอุทิศแด่พระคาร์ดินัลออร์สินิ[32]

ถ้าทฤษฎีนี้ถูกต้อง ก็จะมีช่วงเวลาน้ำขึ้นเพียงวันละ 1 ครั้ง กาลิเลโอกับเหล่านักคิดร่วมสมัยต่างคิดถึงความสำคัญข้อนี้ เพราะที่เวนิสมีช่วงเวลาน้ำขึ้นวันละ 2 ครั้ง ห่างกันประมาณ 12 ชั่วโมง แต่กาลิเลโอละเลยความผิดปกตินี้เสียโดยถือว่าเป็นผลจากสาเหตุรอง ๆ อีกหลายประการ เช่นลักษณะรูปร่างของทะเล ความลึกของทะเล และปัจจัยอื่น ๆ[32] การที่กาลิเลโอตั้งสมมุติฐานลวงเพื่อโต้แย้งป้องกันแนวคิดของตัวเองนี้ อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ แสดงความเห็นว่ากาลิเลโอได้พัฒนาให้ "ข้อโต้แย้งมีเสน่ห์" และยอมรับมันโดยไม่คำนึงถึงความปรารถนาในข้อพิสูจน์ทางฟิสิกส์เกี่ยวกับการเคลื่อนที่ของโลก[33]

กาลิเลโอไม่เชื่อทฤษฎีของโยฮันเนส เคปเลอร์ นักคิดร่วมสมัยกับเขา ที่เสนอว่า ดวงจันทร์เป็นสาเหตุของปรากฏการณ์น้ำขึ้นน้ำลง เขากล่าวว่าทฤษฎีนี้เป็น "นิยายไร้สาระ"[32] กาลิเลโอยังไม่ยอมรับแนวคิดเรื่องวงโคจรแบบวงรีของเคปเลอร์[34] เขาคิดว่าวงโคจรของดาวเคราะห์ควรจะเป็น "วงกลมสมบูรณ์แบบ"