Kõik universumis on liikumises. Kuud orbiidiplaneedid, mis omakorda orbiidil tähed. Galaktikates on miljonid ja miljonid tähed, mis tiirlevad nende sees ja väga suurte skaalade kohal, galaktikad tiirlevad hiiglaslikes kobarates. Päikesesüsteemi skaalal märkame, et enamik orbiite on suuresti elliptilised (omamoodi lamestatud ring). Nende tähtedele ja planeetidele lähemal asuvate objektide orbiidid on kiiremad, kaugemate objektide orbiidid on aga pikemad.
Taevavaatlejatel kulus nende liikumiste väljamõtlemiseks tükk aega ja me teame neist tänu renessansi geeniuse nime kandvale tööle Johannes Kepler (kes elas 1571–1630). Ta vaatas taevast suure uudishimu ja põletava vajadusega selgitada planeetide liikumist, kuna need näisid rändavat üle taeva.
Kepler oli saksa astronoom ja matemaatik, kelle ideed muutsid põhjalikult meie arusaama planeetide liikumisest. Tema tuntuim töö tuleneb tema tööle astronoomist Taani Tycho Brahe (1546-1601). Ta asus elama 1599. aastal Prahas (tollal Saksa keisri Rudolfi kohtukoht) ja temast sai kohtuastronoom. Seal palkas ta oma arvutuste tegemiseks Kepleri, kes oli matemaatiline geenius.
Kepler oli astronoomiat õppinud juba ammu enne Tychoga kohtumist; ta pooldas Koperniku maailmapilti, mille järgi planeedid tiirlesid Päikesel. Kepler suhtles Galileoga ka oma tähelepanekute ja järelduste kohta.
Lõpuks kirjutas Kepler oma töö põhjal mitmeid astronoomia teoseid, sealhulgas Astronoomia Nova, Harmooniad Mundija Koperniku astronoomia epitool. Tema tähelepanekud ja arvutused inspireerisid hilisemate põlvkondade astronoome tema teooriatele tuginema. Samuti tegeles ta optikaprobleemidega ja leiutas eelkõige refraktsiooniteleskoobi parema versiooni. Kepler oli sügavalt religioosne mees ja uskus oma elu jooksul ka mõnda astroloogia põhimõtet.
Tycho Brahe määras Kepleri ülesandeks analüüsida vaatlusi, mida Tycho oli teinud planeedi Marsi kohta. Need tähelepanekud hõlmasid väga täpseid planeedi asendi mõõtmisi, mis ei olnud nõus Ptolemaiose mõõtmiste ega Koperniku järeldustega. Kõigist planeetidest oli Marsi ennustatud asukohas suurimaid vigu ja see oli seega suurim probleem. Tycho andmed olid enne teleskoobi leiutamist kõige paremini kättesaadavad. Keplerile abi eest makstes valvas Brahe oma andmeid armukadedalt ja Kepler nägi sageli vaeva, et saada oma töö tegemiseks vajalikke arve.
Kui Tycho suri, suutis Kepler hankida Brahe vaatlusandmeid ja üritas mõistatada, mida need tähendasid. 1609. aastal, samal aastal Galileo Galilei pööras esmalt oma teleskoobi taeva poole, püüdis Kepler pilgu, mis tema arvates võiks olla vastus. Tycho vaatluste täpsus oli Kepleri jaoks piisavalt hea, et näidata, et Marsi orbiit sobib täpselt ellipsi kujuga (pikliku, peaaegu munakujulise ringi kujuga) kujuga.
Tema avastus pani Johannes Kepleri esimesena mõistma, et meie päikesesüsteemi planeedid liikusid ellipsides, mitte ringides. Ta jätkas uurimistööd, arendades lõpuks välja kolm planeedi liikumise põhimõtet. Need said tuntuks Kepleri seadustena ja panid pöörde planeetide astronoomiasse. Mitu aastat pärast Keplerit Sir Isaac Newton tõestas, et kõik kolm Kepleri seadust on gravitatsiooni- ja füüsikaseaduste otsene tulemus, mis reguleerib erinevate massiivsete kehade vahel töötavaid jõudusid. Mis on Kepleri seadused? Siin on neile kiire ülevaade, kasutades terminoloogiat, mida teadlased kasutavad orbitaalliigutuste kirjeldamiseks.
Kepleri esimese seaduse kohaselt "kõik planeedid liiguvad elliptilistel orbiitidel koos Päikesega ühes fookuses ja teises fookuses tühjana". See kehtib ka Päikese tiirlevate komeetide kohta. Maa satelliitide suhtes saab Maa keskpunkt ühe fookuse, teine fookus tühi.
Kepleri teist seadust nimetatakse alade seaduseks. Selles seaduses öeldakse, et "planeeti Päikesega ühendav joon pühib võrdsete ajavahemike järel võrdsetel aladel". Seaduste mõistmiseks mõelge, millal satelliit tiirleb. Kujutatav joon, mis ühendab seda Maaga, pühib võrdsetel aladel võrdse ajavahemiku jooksul. Segmentide AB ja CD katteks kulub võrdne aeg. Seetõttu muutub satelliidi kiirus sõltuvalt selle kaugusest Maa keskpunktist. Kiirus on suurim Maale kõige lähemal asuva orbiidi punktis, mida nimetatakse perigeeks, ja kõige aeglasem Maast kõige kaugemal asuvas punktis, mida nimetatakse apogeeks. Oluline on märkida, et satelliidi järgitav orbiit ei sõltu selle massist.
Kepleri 3. seadust nimetatakse perioodide seaduseks. See seadus seob aega, mis kulub planeedil ühe täieliku matka tegemiseks ümber Päikese, selle keskmise kaugusega Päikesest. Seadus sätestab, et "mis tahes planeedi puhul on selle revolutsiooni perioodi ruut võrdeline selle keskmise kauguse kuubiga Päikesest kuubiga". Maa satelliitide suhtes kohaldatud, Kepleri 3. seadus selgitab, et mida kaugemal satelliit Maast on, seda kauem aega orbiidi täitmiseks kulub, seda suuremat vahemaad see orbiidi täitmiseks läbib ja mida aeglasem on selle keskmine kiirus ole. Teine viis seda mõelda on see, et satelliit liigub kiiremini, kui see on Maale kõige lähemal, ja aeglasem, kui see on kaugemal.