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Propuso el sistema geocéntrico como la base de la mecánica celeste, perduró 1400 años. Sus teorías y explicaciones astronómicas perduraron en el pensamiento científico hasta el siglo XVI.
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Proporcionó las bases de que permitieron a Kepler, Galileo, Brahe y Newton culminar la revolución astronómica. Realizó un modelo planetario que explicaba cómo los planetas se movían alrededor del Sol.
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Intentó demostrar las leyes sobre el movimiento de los planetas en sus órbitas alrededor del Sol. Descubrió que las órbitas eran elípticas y no circulares. Observó una supernova en nuestra galaxia, a la que llamaría estrella de Kepler.
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Construyó un telescopio y descubrió que las montañas de la Luna tenían una naturaleza similar a la de la Tierra. También descubrió con ese telescopio las fases de Venus, estos hechos invalidaron la cosmología geocéntrica.
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Fue el primero en calcular la órbita de un cometa. Aportó con los métodos para medir la distancia del Sol a través del tránsito de los planetas, el establecimiento del movimiento estelar y la aceleración secular de la Luna.
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Descubrió que nuestra galaxia no es la única en el universo y que hay miles de galaxias además de que el universo se está expandiendo. Encontró varias cefeidas en la nebulosa de Andrómeda y encontró que estaban a unos 900.000 años-luz. Repitió las mediciones con cefeidas de otras nebulosas y obtuvo también distancias superiores a los 100.000 años-luz que es el tamaño estimado de la Vía Láctea.
