นักปราชญ์ในยุคก่อนเชื่อว่า วงโคจรของดาวเคราะห์เป็นรูปวงกลมที่สมบูรณ์ จนกระทั่ง โจฮานเนส เคปเลอร์ (Johannes Kepler) นักดาราศาสตร์ชาวเยอรมันซึ่งมีชีวิตอยู่ในระหว่าง ค.ศ.1571 1630 ได้ทำการวิเคราะห์ข้อมูลตำแหน่งของดาวเคราะห์ ที่ได้จากการตรวจวัดจากการสังเกตการณ์อย่างละเอียด แล้วทำการคำนวณย้อนกลับ พบว่าผลของการคำนวณซึ่งถือเอาวงโคจรเป็นรูปวงกลมนั้น ไม่สอดคล้องกับข้อมูลที่ได้จากการสังเกตการณ์ แต่กลับสอดคล้องกับผลของการคำนวณซึ่งถือเอาวงโคจรเป็นรูปวงรี ในปี ค.ศ.1609 เคปเลอร์ได้ประกาศว่า ดาวเคราะห์โคจรรอบดวงอาทิตย์เป็นวงรี โดยมีดวงอาทิตย์อยู่ที่โฟกัสจุดหนึ่ง (กฎข้อที่ 1 กฎของวงรี)
หมายเหตุ: การสร้างวงรี สามารถทำได้โดย 2 วิธีคือ วิธีขึงเชือก สร้างสามเหลี่ยมระหว่างจุดโฟกัส 2 จุดและปลายดินสอ จากนั้นลากดินสอรอบจุดโฟกัส โดยให้เส้นเชือกตรึงอยู่ตลอดเวลา ดังภาพที่ 3 และวิธีภาคตัดกรวย ในภาพที่ 4
ในปีเดียวกัน เคปเลอร์พบว่า ความเร็วในวงโคจรของดาวเคราะห์มิใช่ค่าคงที่ แต่จะเคลื่อนที่เร็วเมื่อเข้าใกล้ดวงอาทิตย์ และเคลื่อนที่ช้าลงเมื่อออกห่างจากดวงอาทิตย์ เคปเลอร์พบว่า เมื่อดาวเคราะห์เคลื่อนที่ตามวงโคจรไปในแต่ละช่วงเวลา 1 หน่วย เส้นสมมติที่ลากโยงระหว่างดาวเคราะห์กับดวงอาทิตย์ จะกวาดพื้นที่ในอวกาศไปได้เท่าๆ กัน (กฎข้อที่ 2 กฎของพื้นที่เท่ากัน)
เก้าปีต่อมา ในปี ค.ศ.1618 เคปเลอร์พบว่า พื้นที่ของคาบวงโคจรของดาวเคราะห์ (คำว่า พื้นที่ หมายถึง กำลังสอง) จะแปรผันตาม ปริมาตรของระยะห่างจากดวงอาทิตย์เสมอ (คำว่า ปริมาตร หมายถึง กำลังสาม) หรือพูดอย่างง่ายว่า กำลังสองของคาบวงโคจรของดาวเคราะห์รอบดวงอาทิตย์ จะแปรผันตาม กำลังสามของระยะห่างจากดวงอาทิตย์ คลิก เพื่อดูภาพเคลื่อนไหว เมื่อนำค่ายกกำลังสองของคาบวงโคจรของดาวเคราะห์ p2 มาหารด้วย ค่ากำลังสามของระยะห่างจากดวงอาทิตย์ a3 จะได้ค่าคงที่เสมอ (p2/a3 = k, k เป็นค่าคงที่) มิว่าจะเป็นดาวเคราะห์ดวงใดก็ตาม กฎข้อที่ 3 นี้เรียกว่า กฎฮาร์มอนิก (Harmonic Law)
ตารางที่ 1 กฏข้อที่ 3 ของเคปเลอร์ ระยะทาง 1 หน่วยดาราศาสตร์ หรือ 1 AU (Astronomical Unit) เท่ากับ ระยะทางเฉลี่ยจากโลกไปยังดวงอาทิตย์ หรือ 149,600,000 ล้านกิโลเมตร สรุป กฎของเคปเลอร์:
|