Astrónomo danés, hijo del gobernador del castillo de Helsinborg; el último de los astrónomos antiguos. Estudió en Copenhague, Leipzig, Wittenberg, Basilea, Rostock y Augsburgo. Durante el período de su formación se dedicó ya a la observación de los fenómenos astronómicos y a la colección e invención de instrumentos de observación. A los 26 años, de regreso a Dinamarca, se dedica por un tiempo a la alquimia y a la astrología. La observación efectuada el 11 de noviembre de 1572 de la estrella «nova», situada en la constelación de Casiopea, llevada a cabo con uno de los instrumentos fabricados por él, de precisión mucho mayor que los de su época, le lanzó a la fama. Al año siguiente publicó De Nova Stella, para describir las características de la nueva estrella y las del instrumento con que la había observado.
En 1577 demostró, con la publicación de De mundi aetherei recentioribus phaenomenis [Sobre los más recientes fenómenos del mundo etéreo], que el cometa aparecido no era un fenómeno sublunar, que su órbita era oval -cosa que se afirma por primera vez-, y que su distancia tenía que ser más de seis veces la de la tierra a la luna. Fue el primero en mostrar que estas apariciones celestes implicaban la falsedad de la teoría aristotélica de la inalterabilidad del mundo supralunar. Federico II ofreció entonces a Tycho-Brahe, que deseaba residir en la culta ciudad de Basilea, una isla, Hveen, en el Sund, entre Copenhague y el castillo de Elsinor, para que instalara su residencia y su observatorio astronómico. Durante veinte años Tycho permaneció en Uraniborg (Palacio del cielo), construido en la isla de Hveen, observatorio en el que disponía de los instrumentos de medición más exactos de la época y hasta de un edificio anexo subterráneo, Stjerneborg (Palacio de las estrellas), para evitar la interferencia del viento.
En 1597, hecha ya buena parte de sus importantes y muy precisas observaciones, abandona Uraniborg y decide recorrer Europa, con un séquito de veinte personas. Se instala definitivamente en Praga, al servicio del emperador Rodolfo II, como matemático imperial. Por entonces había ya construido un nuevo sistema del mundo que situaba a la Tierra de nuevo en el centro del universo y hacía girar a los cinco planetas alrededor del Sol.
En este sistema la Tierra, inmóvil, ocupa el centro; el sol, que gira en torno a la Tierra, es a su vez el centro de las órbitas circulares de los cinco planetas: Mercurio, Venus, Marte, Júpiter y Saturno, transportados de esta manera en un giro anual alrededor de la Tierra. Las órbitas de Mercurio y Venus son menores que la órbita solar, por lo que se mueven entre el Sol y la Tierra, mientras que los demás planetas lo hacen por fuera de la órbita del Sol.
Esta imagen del mundo se halla ya en Heráclides de Ponto (s. IV a.C.), quien sugirió la idea de que los planetas giran en torno al Sol, llevado por la apariencia que ofrecen las órbitas de Mercurio y Venus.
Tycho procuró demostrar que basaba su sistema en observaciones y no en hipótesis, y que éste tenía las ventajas de los sistemas ptolemaico y copernicano, pero no sus inconvenientes: era geocéntrico y los planetas giraban en torno al Sol; estaba de acuerdo con las afirmaciones de la Biblia y con las observaciones astronómicas. Sobre todo, evitaba la gran distancia celeste que debería existir, entre Saturno y la esfera de las estrellas fijas, en caso de que debiera admitirse la hipótesis copernicana.
Su sistema se encerraba dentro de la esfera de las estrellas fijas, cuyo centro era la Tierra en un radio algo superior a la distancia máxima de Saturno (que señalaba en 12.300 radios terrestres).
El problema que presentaba su sistema -por lo demás, igual que lo presentaba el de Copérnico- era el de las inexactitudes de algunas órbitas planetarias, sobre todo la de Marte, que en su sistema interseca con la del Sol. Lo cual hacía pensar en una excentricidad en el sistema solar. Esto representó de hecho el primer paso hacia las leyes de Kepler. En el último año de su vida, Tycho comenzó a investigar los movimientos de los planetas, labor en la que le ayudó Kepler, a quien había aceptado como ayudante en febrero de 1600, y a quien encomendó el estudio de la órbita de Marte, cuyo resultado había de ser, con el tiempo, la Nueva astronomía o Física de los cielos, o la astronomía moderna.
Murió el 24 de octubre de 1601, por una retención de orina, mantenida por excesiva educación durante un banquete en casa del barón Rosenberg con invitados imperiales; la infección le llevó a la muerte. Sus últimas palabras fueron, según Kepler, «que no parezca que he vivido en vano».
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