Allt i universum är i rörelse. Månar kretsar runt planeter, som i sin tur kretsar om stjärnor. Galaxer har miljoner och miljoner stjärnor som kretsar inom sig, och över mycket stora skalor går galaxer i jättekluster. I solsystemets skala märker vi att de flesta banor till stor del är elliptiska (en slags platt cirkel). Objekt närmare deras stjärnor och planeter har snabbare banor, medan mer avlägsna har längre banor.
Det tog lång tid för himmelobservatörer att räkna ut dessa rörelser, och vi vet om dem tack vare ett renässansgeni som heter Johannes Kepler (som bodde från 1571 till 1630). Han tittade på himlen med stor nyfikenhet och ett brinnande behov av att förklara planeternas rörelser när de tycktes vandra över himlen.
Kepler var en tysk astronom och matematiker vars idéer grundläggande förändrade vår förståelse för planetrörelse. Hans mest kända arbete härrör från hans anställning av den danska astronomen Tycho Brahe (1546-1601). Han bosatte sig i Prag 1599 (då platsen för domstolen för den tyska kejsaren Rudolf) och blev hoffastronom. Där anställde han Kepler, som var ett matematiskt geni, för att genomföra sina beräkningar.
Kepler hade studerat astronomi långt innan han träffade Tycho; han gynnade den kopernikanska världsbilden som sa att planeterna kretsade runt solen. Kepler korresponderade också med Galileo om sina observationer och slutsatser.
Till slut, baserat på hans arbete, skrev Kepler flera verk om astronomi, inklusive Astronomia Nova, Harmonices Mundi, och Symbol för den kopernikanska astronomin. Hans observationer och beräkningar inspirerade senare generationer av astronomer att bygga vidare på hans teorier. Han arbetade också med problem inom optik och uppfann särskilt en bättre version av det brytande teleskopet. Kepler var en djupt religiös man och trodde också på några grundläggande astrologiska under en period under sitt liv.
Kepler fick av Tycho Brahe uppdraget att analysera observationerna som Tycho hade gjort av planeten Mars. Dessa observationer inkluderade några mycket exakta mätningar av planetens position, som inte överensstämde med varken Ptolemys mätningar eller Copernicus fynd. Av alla planeterna hade den förutsagda positionen för Mars de största felen och utgjorde därför det största problemet. Tychos data var de bästa tillgängliga före uppfinningen av teleskopet. Medan han betalade Kepler för hans hjälp bevakade Brahe hans data avundsjukt och Kepler kämpade ofta för att få de siffror han behövde för att göra sitt jobb.
När Tycho dog, kunde Kepler skaffa Brahe observationsdata och försökte pussla ut vad de menade. 1609, samma år som Galileo Galilei först vände sitt teleskop mot himlen, Kepler fick en glimt av vad han trodde kan vara svaret. Noggrannheten i Tychos observationer var tillräckligt bra för att Kepler kunde visa att Mars: s bana precis skulle passa formen på en ellips (en långsträckt, nästan äggformad form av cirkeln).
Hans upptäckt gjorde Johannes Kepler den första som förstod att planeterna i vårt solsystem rörde sig i ellipser, inte cirklar. Han fortsatte sina undersökningar och utvecklade slutligen tre principer för planetrörelse. Dessa blev kända som Keplers lagar och de revolutionerade planetens astronomi. Många år efter Kepler, Sir Isaac Newton bevisade att alla tre Keplers lagar är ett direkt resultat av gravitation- och fysiklagarna som styr krafterna på arbetet mellan olika massiva kroppar. Så vad är Keplers lagar? Här är en snabb titt på dem med den terminologi som forskare använder för att beskriva orbitalrörelser.
Keplers första lag säger att "alla planeter rör sig i elliptiska banor med solen i ett fokus och det andra fokuset tomt." Detta gäller också kometer som kretsar runt solen. Tillämpas på jordens satelliter blir jordens centrum ett fokus, med det andra fokuset tomt.
Keplers andra lag kallas områdenas lag. Denna lag säger att "linjen som ansluter till planeten till solen sveper över lika områden med lika tidsintervall." För att förstå lag, tänk på när en satellit går i bana. En imaginär linje som sammanfogar den till jorden sveper över lika områden under lika stora perioder. Segment AB och CD tar lika många tider att täcka. Därför förändras satellitens hastighet beroende på dess avstånd från jordens centrum. Hastigheten är störst vid den punkt i banan som ligger närmast jorden, kallad perigee, och är långsammast vid den punkt längst från jorden, kallad apogee. Det är viktigt att notera att banan som följs av en satellit inte är beroende av dess massa.
Keplers tredje lag kallas periodens lag. Denna lag hänför sig till den tid som krävs för en planet att göra en komplett resa runt solen till dess medelavstånd från solen. Lagen säger att "för varje planet är kvadratet för dess revolutionstid direkt proportionell mot kuben för dess medelavstånd från solen." Tillämpas på jordsatelliter, Keplers tredje lag förklarar att ju längre en satellit är från jorden, desto längre tid tar det att slutföra en bana, desto större avstånd kommer den att resa för att fullfölja en bana, och desto långsammare kommer den genomsnittliga hastigheten att vara. Ett annat sätt att tänka på detta är att satelliten rör sig snabbast när den är närmast jorden och långsammare när den är längre bort.