Všechno ve vesmíru je v pohybu. Měsíce obíhají planety, které zase obíhají kolem hvězd. Galaxie mají v sobě obíhající miliony a miliony hvězd a ve velmi velkých měřítcích obíhají galaxie v obřích shlucích. Na stupnici sluneční soustavy si všimneme, že většina oběžných drah je do značné míry eliptických (jakýsi zploštělý kruh). Objekty blíže ke svým hvězdám a planetám mají rychlejší oběžnou dráhu, zatímco vzdálenější mají delší oběžnou dráhu.
Pozorovatelům oblohy trvalo dlouho přijít na tyto pohyby a my o nich víme díky práci renesančního génia pojmenovaného Johannes Kepler (kteří žili od 1571 do 1630). Díval se na oblohu s velkou zvědavostí a potřebou vysvětlit pohyby planet, jak se zdálo, že putují po obloze.
Kepler byl německý astronom a matematik, jehož myšlenky zásadně změnily naše chápání planetárního pohybu. Jeho nejznámější práce pramení z jeho zaměstnání u dánského astronoma Tycho Brahe (1546-1601). V roce 1599 se usadil v Praze (tehdy v místě soudu německého císaře Rudolfa) a stal se soudním astronomem. Tam najal Keplera, který byl matematický génius, aby provedl své výpočty.
Kepler studoval astronomii dlouho předtím, než se setkal s Tychem; upřednostňoval Copernicanský světový názor, že planety obíhají kolem Slunce. Kepler také odpovídal Galileovi ohledně jeho pozorování a závěrů.
Nakonec, na základě jeho práce, Kepler psal několik prací o astronomii, včetně Astronomia Nova, Harmonices Mundi, a Epitome Copernican Astronomy. Jeho pozorování a výpočty inspirovaly pozdější generace astronomů, aby stavěly na jeho teoriích. Pracoval také na problémech v optice, a zejména, vynalezl lepší verzi refrakčního dalekohledu. Kepler byl hluboce náboženský muž a také věřil v některé principy astrologie po dobu svého života.
Keplerovi byl přidělen Tycho Brahe za úkol analyzovat pozorování Tycha z planety Mars. Tato pozorování zahrnovala některá velmi přesná měření polohy planety, která nesouhlasila ani s Ptolemaiovými měřeními ani s Copernicusovými nálezy. Předpokládaná poloha Marsu měla ze všech planet největší chyby, a proto představovala největší problém. Tychova data byla nejlepší dostupná před vynálezem dalekohledu. Zatímco platil Keplerovi za jeho pomoc, Brahe žárlivě hlídal svá data a Kepler se často snažil získat čísla, která potřeboval, aby mohl vykonávat svou práci.
Když Tycho umřel, Kepler byl schopen získat Braheova observační data a pokusit se vymyslet, co tím myslí. V roce 1609, téhož roku Galileo Galilei Nejprve otočil svůj dalekohled k nebi, Kepler zahlédl, co by podle něj mohlo být odpovědí. Přesnost Tychových pozorování byla dost dobrá na to, aby Kepler ukázal, že Marsova orbita by přesně odpovídala tvaru elipsy (protáhlé, téměř ve tvaru vejce, tvaru kruhu).
Jeho objev učinil Johannesa Keplera prvním, kdo pochopil, že planety v naší sluneční soustavě se pohybovaly v elipsách, nikoli v kruzích. Pokračoval ve svém vyšetřování a nakonec vyvinul tři principy planetárního pohybu. Tito stali se známí jako Keplerovy zákony a oni revolucionizovali planetární astronomii. Mnoho let po Keplerovi, Sir Isaac Newton prokázalo, že všechny tři Keplerovy zákony jsou přímým výsledkem zákonů gravitace a fyziky, které řídí síly při práci mezi různými masivními těly. Co jsou tedy Keplerovy zákony? Zde je rychlý pohled na ně pomocí terminologie, kterou vědci používají k popisu orbitálních pohybů.
Keplerův první zákon říká, že „všechny planety se pohybují v eliptických drahách se Sluncem na jednom ohnisku a na druhém ohnisku prázdným.“ To platí také pro komety obíhající kolem Slunce. Při použití na satelity Země se střed Země změní na jedno zaostření a druhé na prázdné.
Keplerův druhý zákon se nazývá zákon oblastí. Tento zákon uvádí, že „čára spojující planetu se Sluncem zametá stejné oblasti ve stejných časových intervalech.“ Abychom pochopili zákon, přemýšlejte o tom, kdy satelit obíhá. Fiktivní čára, která se připojí k Zemi, zametá ve stejných oblastech ve stejných časových obdobích. Segmenty AB a CD zaberou stejnou dobu. Proto se rychlost satelitu mění v závislosti na jeho vzdálenosti od středu Země. Rychlost je největší v bodě na oběžné dráze nejblíže k Zemi, nazývanému perigee, a je nejpomalejší v bodě nejdále od Země, nazývaném apogee. Je důležité si uvědomit, že oběžná dráha následovaná satelitem není závislá na jeho hmotnosti.
Keplerův třetí zákon se nazývá zákon dob. Tento zákon se týká času potřebného k tomu, aby planeta absolvovala jednu úplnou cestu kolem Slunce do své střední vzdálenosti od Slunce. Zákon říká, že „pro každou planetu je čtverec doby revoluce přímo úměrný krychli jeho střední vzdálenosti od Slunce.“ Aplikováno na satelity Země, Keplerův 3. zákon vysvětluje, že čím dál je satelit ze Země, tím déle bude trvat na dokončení orbity, čím větší bude vzdálenost k dokončení orbity, a tím pomalejší bude jeho průměrná rychlost být. Dalším způsobem, jak si to představit, je to, že se satelit pohybuje nejrychleji, když je nejblíže k Zemi, a pomalejší, když je dále.