Всичко във Вселената е в движение. Луни орбитират планети, които от своя страна орбитират звезди. Галактиките имат милиони и милиони звезди, обикалящи около тях и в много големи скали, галактики орбитират в гигантски клъстери. По скалата на слънчевата система забелязваме, че повечето орбити са до голяма степен елиптични (вид сплескан кръг). Обектите, които са по-близо до своите звезди и планети, имат по-бързи орбити, докато по-далечните имат по-дълги орбити.
Отне много време на наблюдателите на небето да разберат тези движения и ние знаем за тях благодарение на работата на гений от Ренесанса на име Йоханес Кеплер (живял от 1571 до 1630 г.). Той погледна към небето с голямо любопитство и горяща нужда да обясни движенията на планетите, докато те сякаш се скитат по небето.
Кеплер беше немски астроном и математик, чиито идеи коренно промениха нашето разбиране за движението на планетата. Най-известната му работа произтича от заетостта му от датски астроном Тихо Брахе (1546-1601). Той се установява в Прага през 1599 г. (тогава мястото на двора на германския император Рудолф) и става придворен астроном. Там той наел Кеплер, който е математически гений, да извърши изчисленията си.
Кеплер е изучавал астрономия много преди да срещне Тихо; той благоприятства коперниканския светоглед, който казва, че планетите обикалят около Слънцето. Кеплер също си кореспондира с Галилео относно неговите наблюдения и заключения.
В крайна сметка, въз основа на работата си, Кеплер написа няколко произведения за астрономията, включително Астрономия Нова, Harmonices Mundi, и Олицетворение на копернишката астрономия. Неговите наблюдения и изчисления вдъхновяват по-късните поколения астрономи да надграждат своите теории. Работил е и по проблемите в оптиката и по-специално е измислил по-добра версия на пречупващия телескоп. Кеплер беше дълбоко религиозен човек и също така вярваше в някои принципи на астрологията за период от живота си.
На Кечор му е възложена задачата да анализира наблюденията на планетата Марс. Тези наблюдения включват някои много точни измервания на положението на планетата, които не са съгласни нито с измерванията на Птолемей, нито с откритията на Коперник. От всички планети прогнозираното положение на Марс имаше най-големи грешки и затова създаде най-голям проблем. Данните на Тихо бяха най-добрите на разположение преди изобретяването на телескопа. Докато плащаше на Кеплер за помощта му, Брахе ревностно пазеше данните си и Кеплер често се бореше да получи цифрите, необходими за работата му.
Когато Тихо почина, Кеплер успя да получи данните от наблюденията на Брахе и се опита да озадачи какво означават. През 1609 г., същата година, че Галилей Галилей първо обърна телескопа си към небето, Кеплер хвърли поглед върху това, което според него може да е отговорът. Точността на наблюденията на Тихо беше достатъчно добра, за да покаже на Кеплер, че орбитата на Марс точно ще пасне на формата на елипса (удължена, почти яйцевидна форма на кръга).
Откритието му направи Йоханес Кеплер първият, който разбра, че планетите в нашата Слънчева система се движат в елипси, а не в кръгове. Той продължи своите проучвания, като накрая разработи три принципа на движение на планетата. Те стават известни като Законите на Кеплер и те революционизират планетарната астрономия. Много години след Кеплер, Сър Исак Нютон доказа, че и трите закона на Кеплер са пряк резултат от законите на гравитацията и физиката, които управляват силите при работа между различни масивни тела. И така, какви са законите на Кеплер? Ето бърз поглед върху тях, използвайки терминологията, която учените използват за описание на орбиталните движения.
Първият закон на Кеплер гласи, че "всички планети се движат по елиптични орбити със Слънцето в един фокус, а другата фокус празна". Това важи и за кометите, които обикалят около Слънцето. Приложен към земните спътници, центърът на Земята става един фокус, а другият фокус е празен.
Вторият закон на Кеплер се нарича закон на областите. Този закон гласи, че "линията, свързваща планетата към Слънцето, се мести над равни зони през равни интервали от време". За да разберете закона, помислете кога спътник орбитира. Въображаема линия, която го присъединява към Земята, преминава през равни зони за равни периоди от време. Сегменти AB и CD отнемат еднакви пъти за покриване. Следователно скоростта на спътника се променя в зависимост от неговото разстояние от центъра на Земята. Скоростта е най-голяма в точката в най-близката до Земята орбита, наречена перигей, и е най-бавна в точката, най-отдалечена от Земята, наречена апогей. Важно е да се отбележи, че орбитата, последвана от спътник, не зависи от неговата маса.
Третият закон на Кеплер се нарича закон на периодите. Този закон отнася времето, необходимо на планетата да извърши едно пълно пътуване около Слънцето до средното му разстояние от Слънцето. Законът гласи, че „за всяка планета квадратът на периода на нейната революция е пряко пропорционален на куба на средното му разстояние от Слънцето“. Приложен към земните спътници, третият закон на Кеплер обяснява, че колкото по-далеч е един спътник от Земята, толкова по-дълго ще отнеме да завърши орбита, толкова по-голямо ще бъде разстоянието, което ще измине, за да завърши орбита, и по-бавна ще бъде средната му скорост бъда. Друг начин да се мисли за това е, че спътникът се движи най-бързо, когато е най-близо до Земята, и по-бавно, когато е по-далеч.