Descobriu as três leis que regem o movimento planetário. As duas primeiras foram resultadas de árdua computação trigonométrica, na qual usou as observações de Marte, realizadas por Tycho Brahe. Em 1619 Kepler publicou Harmonices Mundi, em que as distâncias heliocêntricas dos planetas e seus períodos estão relacionados pela Terceira Lei, que diz que o quadrado do período é proporcional ao cubo da distância média do planeta ao Sol.
Esta lei foi descoberta por Kepler em 15 de maio de 1618. Em 17 de outubro de 1604 Kepler observou a nova estrela (supernova) na constelação de Ophiucus, junto a Saturno, Júpiter e Marte, que estavam próximos, em conjunção. Kepler também estudou as leis que governam a passagem da luz por lentes e sistemas de lentes, inclusive a magnificação e a redução da imagem, e como duas lentes convexas podem tornar objetos maiores e distintos, embora invertidos, que é o princípio do telescópio astronômico. Emrelação a Kepler, devem ser mencionados também seu telescópio astronômico e suas Tábuas Rodolfinas.
1ª Lei de Kepler: "O planeta em órbita em torno do Sol descreve uma elipse em que o Sol ocupa um dos focos"
2ª Lei de Kepler: A linha que liga o planeta ao Sol varre áreas iguais em tempos iguais.
3ª Lei de Kepler: O quadrado do período orbital dos planetas é proporcional ao cubo de sua distância média do Sol.
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