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开普勒与第谷一起工作，开始了科学史上最富有成效、最富有启发性的合作。他曾说：
我认为，正当第谷和他的助手全神贯注研究火星问题时，我能来到第谷身边，这是“神的意旨”，我这样说是因为仅凭火星就能使我们揭示天体的奥秘，而这奥秘由别的行星是永远揭示不了的……
第谷对于自己的观测资料本来是十分保密的，从不让外人过目。但开普勒到他身边工作后，第谷很快就十分欣赏这个年轻人，因此就允许开普勒接触他那珍贵的、一般人不能接触的火星观测资料，并让开普勒和他一起研究火星的运动。
合作约一年时间，第谷因病去世。第谷在临终时，曾把他的全家人召到床前，要家人保存他的资料，并委托助手开普勒继续编辑、校订和出版他的行星表。第谷没有选错人，因为开普勒不仅在1627年正式出版了《鲁道夫星表》（将星表命名为鲁道夫，是为了纪念第谷的赞助人鲁道夫皇帝），而且他还利用了第谷观测资料，发现了伟大的行星运动规律。
在开普勒那个时代，
还有一件罕为人知的事，也许更能说明第谷选对了人。第谷的家人除了脾气像第谷一样暴烈以外，还非常的贪婪。第谷死后，他们结成一帮把开普勒看成外人，违背死者的遗愿，不愿意把第谷的观测资料给开普勒。开普勒可以说费尽了心机和耍了不少花招，才使这些极为宝贵的资料由他保管，没有散失。我们可以设想一下，如果这些宝贵的资料散失了，人类文明史会遭到多么大的损失？要知道，牛顿正是在开普勒铺平的道路上走向成功的！
第谷的死对开普勒未尝不是一件好事，因为开普勒根本不相信托勒密和第谷的日心理论，所以第谷一死，开普勒可以自由自在地放开手脚大干起来。
从一开始开普勒就认识到，仔细研究火星运动轨道是研究行星运动的关键，因为火星的运动轨道偏离圆轨道最远，而哥白尼坚持认为行星运动一定是圆周匀速运动。所以在火星运动中显示出了哥白尼理论的严重缺陷。以前，第谷曾因为这一点怀疑和否定日心说；但开普勒则没有因此而怀疑日心说，他只是认为哥白尼的日心说有严重的缺陷，需要作大胆的改进。