Alt i universet er i bevegelse. Måner går i bane rundt planeter, som igjen går i bane rundt stjerner. Galakser har millioner og millioner av stjerner som kretser rundt seg, og på tvers av veldig store skalaer går galakser i bane i gigantiske klynger. I en skala fra solsystemet legger vi merke til at de fleste baner i stor grad er elliptiske (en slags flatet sirkel). Gjenstander nærmere stjernene og planetene har raskere baner, mens fjernere har lengre baner.
Det tok lang tid for himmelobservatører å finne ut av disse bevegelsene, og vi vet om dem takket være arbeidet til et renessansegeni som heter Johannes Kepler (som bodde fra 1571 til 1630). Han så på himmelen med stor nysgjerrighet og et brennende behov for å forklare planenees bevegelser mens de så ut til å vandre over himmelen.
Kepler var en tysk astronom og matematiker hvis ideer grunnleggende endret vår forståelse av planetarisk bevegelse. Hans mest kjente verk stammer fra hans ansettelse av den danske astronomen Tycho Brahe (1546-1601). Han slo seg ned i Praha i 1599 (den gang stedet for hoffet til den tyske keiseren Rudolf) og ble hoffastronom. Der hyret han inn Kepler, som var et matematisk geni, for å gjennomføre sine beregninger.
Kepler hadde studert astronomi lenge før han møtte Tycho; han favoriserte det kopernikanske verdensbildet som sa at planetene gikk i bane rundt Solen. Kepler korresponderte også med Galileo om hans observasjoner og konklusjoner.
Etter hvert, basert på sitt arbeid, skrev Kepler flere arbeider om astronomi, inkludert Astronomia Nova, Harmonices Mundi, og Innbegrepet av kopernikansk astronomi. Hans observasjoner og beregninger inspirerte senere generasjoner astronomer til å bygge videre på teoriene hans. Han arbeidet også med problemer innen optikk, og oppfant spesielt en bedre versjon av det brytende teleskopet. Kepler var en dypt religiøs mann og trodde også på noen grunnleggende grunnleggende astrologi i en periode i løpet av livet.
Kepler fikk tildelt Tycho Brahe jobben med å analysere observasjonene Tycho hadde gjort av planeten Mars. Disse observasjonene inkluderte noen veldig nøyaktige målinger av planetens plassering som ikke stemte overens med verken Ptolemaios målinger eller Copernicus 'funn. Av alle planetene hadde den spådde posisjonen til Mars de største feilene og utgjorde derfor det største problemet. Tychos data var de best tilgjengelige før oppfinnelsen av teleskopet. Mens han betalte Kepler for sin assistanse, voktet Brahe dataene hans nidkjært og Kepler slet ofte med å få tallene han trengte for å gjøre jobben sin.
Da Tycho døde, kunne Kepler skaffe Brahes observasjonsdata og forsøkte å pusle ut hva de mente. I 1609, samme år som Galileo Galilei først vendte teleskopet mot himmelen, fikk Kepler et glimt av hva han trodde kunne være svaret. Nøyaktigheten av Tychos observasjoner var god nok til at Kepler viste at Mars 'bane nøyaktig ville passe til formen på en ellipse (en langstrakt, nesten eggformet form av sirkelen).
Hans oppdagelse gjorde Johannes Kepler den første til å forstå at planetene i solsystemet vårt beveget seg i ellipser, ikke sirkler. Han fortsatte sine undersøkelser, og til slutt utviklet tre prinsipper for planetbevegelse. Disse ble kjent som Keplers lover og de revolusjonerte planetarisk astronomi. Mange år etter Kepler, Sir Isaac Newton bevist at alle tre Keplers lover er et direkte resultat av lovene om gravitasjon og fysikk som styrer kreftene på jobb mellom forskjellige massive kropper. Så, hva er Keplers lover? Her er en rask titt på dem ved å bruke terminologien som forskere bruker for å beskrive orbital bevegelser.
Keplers første lov sier at "alle planeter beveger seg i elliptiske baner med solen på det ene fokuset og det andre fokuset er tomme." Dette gjelder også kometer som går i bane rundt solen. På jorden satellitter, blir Jordens sentrum ett fokus, med det andre fokuset tomt.
Keplers andre lov kalles områdeloven. Denne loven sier at "linjen som forbinder planeten til solen feier over like områder i like tidsintervaller." For å forstå loven, tenk på når en satellitt går i bane. En imaginær linje som forbinder den til jorden feier over like områder i like perioder. Segment AB og CD tar like tid å dekke. Derfor endres hastigheten på satellitten, avhengig av avstanden fra jordens sentrum. Hastigheten er størst på det punktet i bane nærmest jorden, kalt perigee, og er tregest på det punktet som er lengst fra jorden, kalt apogee. Det er viktig å merke seg at bane etterfulgt av en satellitt ikke er avhengig av massen.
Keplers tredje lov kalles lov for perioder. Denne loven forholder tiden som kreves for at en planet kan gjøre en komplett tur rundt solen til den gjennomsnittlige avstanden fra solen. Loven sier at "for enhver planet er kvadratet for dens revolusjonsperiode direkte proporsjonal med kuben for dens middelavstand fra solen." Anvendt til jord-satellitter, Keplers 3. lov forklarer at jo lenger en satellitt er fra Jorden, jo lengre tid vil det ta å fullføre en bane, jo større avstand vil den reise for å fullføre en bane, og jo saktere sin gjennomsnittlige hastighet vil være. En annen måte å tenke på dette er at satellitten beveger seg raskest når den er nærmest jorden og saktere når den er lenger borte.