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首个科学引力论的诞生归功于英国数学家和物理学家艾萨克·牛顿爵士，他于1687年发表了这一理论。他的万有引力定律给出了作用在两个物体之间的引力大小，以及引力大小与物体质量和间隔距离的关系，为行星的运动规律提供了准确的描述。实际上，牛顿运用万有引力定律推导出了17世纪早期由德国天文学家约翰尼斯·开普勒提出的行星运动的三大定律。开普勒通过仔细钻研天文现象观测时间表、记录行星位置随时间的变化以及寻求能够解释这些数据的潜在关系，从而得出了他的定律。在这个过程中，牛顿的万有引力定律为开普勒的经验模型提供了坚实的科学基础。
德国天文学家约翰尼斯·开普勒在对丹麦观测天文学家第谷·布拉赫（Tycho Brahe）收集的数据进行研究后，推导出了行星三大运动定律
，这套定律实际上支配着太阳系中的一切，包括彗星、流星体以及巡航的宇宙飞船。
我们不会深入探讨数学细节，但在这里，我必须准确复述天文学家们得出的结论。第一条定律指出，行星在椭圆轨道上运动，太阳位于椭圆的其中一个“焦点”（相当于圆心）。第二条定律指出，当行星运动时，在相等时间内，太阳和运动中的行星的连线（向量半径）所扫过的面积都是相等的。而第三条定律指出，行星公转周期的平方与其椭圆轨道半长轴的立方成正比。所以如果椭圆轨道的半长轴变为原先的四倍，那么行星的公转周期会增加八倍。
虽然引力是迄今为止自然界中最弱的力量，它蕴藏于宇宙中，默默潜伏，但它长久积蓄的力量不仅决定了单个天体的最终命运，而且决定了整个宇宙的最终归宿。
——保罗·戴维斯（Paul Davies）
开普勒定律表明，行星的运行轨道不一定都是圆形，但一般来说，都遵循椭圆形路径。事实上，太阳系中的大多数行星都是沿着大致圆形的轨道环绕太阳运行的，唯一明显的例外是距离太阳最近的水星。在水星轨道上，当运行到最接近太阳的点（称为近日点）时，水星和太阳的距离为4600万千米；当运行到距离太阳7000万千米的远处时，就到达了远日点。
同样的定律也适用于在太阳系中靠惯性航行的宇宙飞船，也就是说，飞船不启动发动机，而是纯粹在引力的引导下运动。例如，此时此刻，NASA的帕克太阳探测器（Parker Solar Probe）和中国的“嫦娥2号”（Chang’e 2 mission）都在太阳轨道上运转着，它们实际上是太阳的人造卫星，就像太阳系中的行星一样。“旅行者号”，即20世纪70年代发射到太阳系外行星的探测器，现在仍未飞出太阳系，它速度极快，即使是太阳的引力都无法将它们带回家。
但是，我们现在讨论这个问题似乎有些操之过急。在上一章中，我们看到了火箭推动宇宙飞船从地球表面上升到100千米高的卡门线的全过程，卡门线标志着地球大气层和外太空的边界。既然牛顿和开普勒已经告诉我们关于引力和轨道的知识，那么从地球这片浩瀚星海的蓝色海岸起航、穿越星际空间并遨游于太空之中的宇宙飞船，是如何绘制出它的航图的呢？