Sve u svemiru je u pokretu. Mjeseci orbitiraju planete, koje zauzvrat orbitiraju zvijezde. Galaksije imaju milione i milione zvijezda koje kruže u njima, a preko vrlo velikih razmjera, galaksije orbitiraju u gigantskim klasterima. Na ljestvici Sunčevog sustava primjećujemo da je većina orbita uglavnom eliptična (vrsta spljoštenog kruga). Objekti bliži svojim zvijezdama i planetima imaju brže orbite, dok udaljenije imaju dužu orbitu.
Trebalo je dugo vremena da nebeski promatrači utvrde ove prijedloge, a mi znamo za njih zahvaljujući djelu renesansnog genija po imenu Johannes Kepler (koji su živjeli od 1571. do 1630.). Gledao je u nebo s velikom radoznalošću i gorućom potrebom da objasni kretanje planeta dok se činilo da lutaju nebom.
Kepler je bio njemački astronom i matematičar čije su ideje u osnovi izmijenile naše razumijevanje gibanja planeta. Njegovo najpoznatije djelo proizlazi iz zaposlenosti danskog astronoma Tycho Brahe (1546-1601). Naselio se 1599. godine u Pragu (tada mjesto suda njemačkog cara Rudolfa) i postao dvorski astronom. Tamo je angažirao Keplera, koji je bio matematički genij, da izvrši svoje proračune.
Kepler je studirao astronomiju mnogo prije nego što je upoznao Ticha; favorizirao je Kopernikov pogled na svijet koji kaže da planete kruže oko Sunca. Kepler se također dopisivao s Galileom o svojim opažanjima i zaključcima.
Na kraju, na osnovu svog rada, Kepler je napisao nekoliko djela o astronomiji, uključujući Astronomija Nova, Harmonices Mundi, i Uzorište Kopernikove astronomije. Njegova zapažanja i proračuni nadahnuli su kasnije generacije astronoma da se nadograde na njegove teorije. Radio je i na problemima u optici, a posebno je izumio bolju verziju vatrostalnog teleskopa. Kepler je bio duboko religiozan čovjek i također je vjerovao u neke astrološke principe za razdoblje svog života.
Kepler je Tycho Braheu dodijelio posao analize opažanja koje je Tycho napravio od planeta Mars. Ta su promatranja uključivala vrlo precizna mjerenja položaja planeta koja se nisu slagala ni s Ptolomejevim mjerenjima ni s Kopernikovim nalazima. Od svih planeta, predviđeni položaj Marsa imao je najveće pogreške i stoga je predstavljao najveći problem. Tichovi podaci bili su najbolji dostupni prije pronalaska teleskopa. Dok je Kepleru plaćao pomoć, Brahe je ljubomorno čuvao svoje podatke, a Kepler se često trudio da dobije podatke potrebne za obavljanje svog posla.
Kad je Tycho umro, Kepler je uspio dobiti Braheove promatračke podatke i pokušao je zagonetiti što znače. Godine 1609, iste godine koja Galileo Galilei prvo je okrenuo teleskop prema nebu, Kepler je opazio što je mislio da je odgovor. Točnost Tichovih opažanja bila je dovoljno dobra da Kepler pokaže da će Marsova orbita točno odgovarati obliku elipse (izduženi, gotovo jajoliki oblik kruga).
Njegovo otkriće učinilo je Johannesa Keplera prvim koji je shvatio da se planeti u našem Sunčevom sustavu kreću u elipsama, a ne u krugovima. Nastavio je sa svojim istraživanjima, napokon razvijajući tri principa gibanja planeta. Oni su postali poznati kao Keplerovi zakoni i revolucionirali su planetarnu astronomiju. Mnogo godina nakon Keplera, Sir Isaac Newton dokazao da su sva tri Keplerova zakona izravna posljedica zakona gravitacije i fizike koji upravljaju silama na djelu između raznih masivnih tijela. Dakle, što su Keplerovi zakoni? Evo kratkog pregleda s njima, pomoću terminologije koju znanstvenici koriste za opisivanje orbitalnih pokreta.
Keplerov prvi zakon kaže da se "sve planete kreću u eliptičnoj orbiti sa Suncem u jednom fokusu, a drugi fokus prazan." To vrijedi i za komete koji orbitiraju oko Sunca. Primijenjeno na zemaljske satelite, središte Zemlje postaje jedno žarište, a drugo žarište je prazno.
Keplerov drugi zakon naziva se zakonom područja. Ovaj zakon kaže da se "linija koja spaja planet sa Suncem prelazi preko jednakih područja u jednakim vremenskim intervalima". Da biste razumjeli zakon, razmislite kada satelit orbitira. Zamišljena linija koja ga spaja sa Zemljom pruža se kroz jednaka područja u jednakim razdobljima. Segmenti AB i CD pokrivaju jednaka vremena. Stoga se brzina satelita mijenja, ovisno o njegovoj udaljenosti od središta Zemlje. Brzina je najveća u točki u orbiti najbližoj Zemlji, koja se naziva perigee, a najsporija je u točki koja je najudaljenija od Zemlje, a naziva se apogej. Važno je napomenuti da orbita koju prati satelit ne ovisi o njegovoj masi.
Keplerov 3. zakon naziva se zakonom razdoblja. Ovaj zakon odnosi se na vrijeme potrebno planeti da izvrši jedno potpuno putovanje oko Sunca na njegovu srednju udaljenost od Sunca. Zakon kaže da je "za bilo koji planet, kvadrat njegova razdoblja revolucije izravno proporcionalan kocki srednje vrijednosti udaljenosti od Sunca." Primijenjeno na zemaljske satelite, Keplerov 3. zakon objašnjava da što je udaljeniji satelit od Zemlje, što duže će proći da bi završio orbitu, veća je udaljenost koju će prijeći da bi završio orbitu, a sporija će mu biti prosječna brzina biti. Drugi način razmišljanja je da se satelit kreće najbrže kada je najbliži Zemlji, a sporije kada je dalje.