Tout dans l'univers est en mouvement. Les lunes orbitent des planètes, qui à leur tour orbitent autour des étoiles. Les galaxies ont des millions et des millions d'étoiles en orbite en leur sein, et à très grande échelle, les galaxies orbitent en grappes géantes. A l'échelle du système solaire, on remarque que la plupart des orbites sont largement elliptiques (une sorte de cercle aplati). Les objets plus proches de leurs étoiles et planètes ont des orbites plus rapides, tandis que des objets plus éloignés ont des orbites plus longues.
Les observateurs du ciel ont mis beaucoup de temps à comprendre ces mouvements, et nous les connaissons grâce au travail d'un génie de la Renaissance nommé Johannes Kepler (qui a vécu de 1571 à 1630). Il regarda le ciel avec une grande curiosité et un besoin brûlant d'expliquer les mouvements des planètes alors qu'elles semblaient errer dans le ciel.
Kepler était un astronome et mathématicien allemand dont les idées ont fondamentalement modifié notre compréhension du mouvement planétaire. Son œuvre la plus connue découle de son emploi par l'astronome danois
Tycho Brahe (1546-1601). Il s'installe à Prague en 1599 (alors siège de la cour de l'empereur allemand Rudolf) et devient astronome de cour. Là, il a engagé Kepler, qui était un génie mathématique, pour effectuer ses calculs.Kepler avait étudié l'astronomie bien avant de rencontrer Tycho; il a favorisé la vision copernicienne du monde qui disait que les planètes tournaient autour du Soleil. Kepler a également correspondu avec Galileo au sujet de ses observations et conclusions.
Finalement, sur la base de son travail, Kepler a écrit plusieurs ouvrages sur l'astronomie, y compris Astronomia Nova, Harmonices Mundi, et La quintessence de l'astronomie copernicienne. Ses observations et calculs ont inspiré les générations futures d'astronomes à s'appuyer sur ses théories. Il a également travaillé sur des problèmes d'optique, et en particulier, a inventé une meilleure version du télescope réfringent. Kepler était un homme profondément religieux et croyait également à certains principes de l'astrologie pendant une période de sa vie.
Kepler a été chargé par Tycho Brahe d'analyser les observations que Tycho avait faites de la planète Mars. Ces observations comprenaient des mesures très précises de la position de la planète qui ne correspondaient ni aux mesures de Ptolémée ni aux conclusions de Copernic. De toutes les planètes, la position prévue de Mars avait les plus grandes erreurs et posait donc le plus gros problème. Les données de Tycho étaient les meilleures disponibles avant l'invention du télescope. Tout en payant Kepler pour son aide, Brahe gardait jalousement ses données et Kepler luttait souvent pour obtenir les chiffres dont il avait besoin pour faire son travail.
À la mort de Tycho, Kepler a pu obtenir les données d'observation de Brahe et a tenté de comprendre ce qu'elles signifiaient. En 1609, la même année que Galilée tourna son télescope vers le ciel, Kepler aperçut ce qu'il pensait être la réponse. La précision des observations de Tycho était suffisamment bonne pour que Kepler montre que l'orbite de Mars épouserait précisément la forme d'une ellipse (une forme allongée, presque ovoïde, du cercle).
Sa découverte a fait de Johannes Kepler le premier à comprendre que les planètes de notre système solaire se déplaçaient en ellipses, pas en cercles. Il a poursuivi ses recherches, développant finalement trois principes du mouvement planétaire. Celles-ci sont devenues les lois de Kepler et ont révolutionné l'astronomie planétaire. De nombreuses années après Kepler, Monsieur Isaac Newton a prouvé que les trois lois de Kepler sont le résultat direct des lois de la gravitation et de la physique qui régissent les forces à l'œuvre entre divers corps massifs. Alors, quelles sont les lois de Kepler? Voici un bref aperçu de ces derniers, en utilisant la terminologie utilisée par les scientifiques pour décrire les mouvements orbitaux.
La première loi de Kepler stipule que "toutes les planètes se déplacent sur des orbites elliptiques avec le Soleil à un foyer et l'autre vide." Cela est également vrai pour les comètes en orbite autour du Soleil. Appliqué aux satellites de la Terre, le centre de la Terre devient un foyer, l'autre foyer étant vide.
La deuxième loi de Kepler est appelée la loi des régions. Cette loi stipule que "la ligne reliant la planète au Soleil balaie des zones égales à intervalles de temps égaux". Pour comprendre la loi, pensez au moment où un satellite orbite. Une ligne imaginaire la joignant à la Terre parcourt des zones égales en des périodes de temps égales. Les segments AB et CD prennent un temps égal à couvrir. Par conséquent, la vitesse du satellite change, en fonction de sa distance du centre de la Terre. La vitesse est maximale au point de l'orbite le plus proche de la Terre, appelé périgée, et la plus lente au point le plus éloigné de la Terre, appelé apogée. Il est important de noter que l'orbite suivie par un satellite ne dépend pas de sa masse.
La troisième loi de Kepler est appelée la loi des périodes. Cette loi relie le temps nécessaire à une planète pour effectuer un tour complet autour du Soleil à sa distance moyenne du Soleil. La loi stipule que "pour toute planète, le carré de sa période de révolution est directement proportionnel au cube de sa distance moyenne au Soleil". Appliquée aux satellites de la Terre, 3e loi de Kepler explique que plus un satellite est éloigné de la Terre, plus il faudra de temps pour terminer une orbite, plus la distance qu'il parcourra pour parcourir une orbite sera grande et plus sa vitesse moyenne sera lente être. Une autre façon de penser à cela est que le satellite se déplace plus rapidement lorsqu'il est le plus proche de la Terre et plus lentement lorsqu'il est plus éloigné.