뉴턴은 지구에 대한 달의 회전운동과 태양에 대한 행성들의 운동을 설명하기 위해 자연에 존재하는 기본적인 힘의 법칙 중의 하나인 만유인력법칙을 발견했다. 만유인력법칙과 운동법칙을 이용하여 행성 및 지구위성과 같은 궤도운동의 다양성을 보자.
수 천년동안 사람들은 행성, 별 및 다른 천체들의 운동을 관측해 왔다. 1543년 폴란드의 천문학자 코페르니쿠스가 지구와 다른 행성들이 태양주위를 원 궤도로 돌고 있다는 태양중심설을 제안할 때까지 1400년간 지구자 우주의 중심이라는 지구중심설이 인정되어 왔다. 덴마크의 천문학자 브라헤는 20년 넘게 육분의와 나침반을 이용하여 행성들과 777개의 별들의 운동을 정밀하게 관측하여, 현재도 받아들여지는 태양계 관련 자료를 제공했다. 브라헤의 조수였던 독일의 천문학자 케플러는 브라헤의 천문관측 자료들 중 태양둘레를 공전하는 화성에 대한 정밀한 자료로부터 화성의 궤도는 태양을 한 초점으로 하는 타원으로 정확하게 기술된다는 것을 발견하였으며, 모든 행성들의 운동을 포함시키기 위해 이 분석을 일반화하고, 완전한 분석결과를 케플러의 법칙이라고 알려진 다음 세 가지로 요약하였다.
1. 모든 행성들은 태양을 한 초점으로 하는 타원궤도를 따라 운동한다.
2. 태양과 주위의 어떤 행성을 잇는 직선은 같은 시간 동안에 같은 면적을 쓰고 지나간다.
3. 행성의 궤도주기의 제곱은 타원궤도 장축의 세제곱에 비례한다.
케플러의 법칙은 관측에만 근거한 것으로서 이론적인 근거를 가지지는 못하였다. 케플러는 행성들이 어떻게 운동하는지를 알았지만 왜 그렇게 운동하는지는 몰랐는데, 1686년 뉴턴은 하늘의 비밀을 여는 결정적인 열쇠를 제공했다. 뉴턴은 그의 제1 법칙으로부터 알짜 힘이 달에 작용해야 한다는 것을 알았다. 만약 그렇지 않다면 달은 원궤도 운동을 하지 않고 직선운동을 할 것이다. 뉴턴은 달이 지구 주위를 공전운동하는 것은 달과 지구 사이에 작용하는 인력 때문이라 생각했으며, 지구와 달뿐만 아니라 태양과 행성들 사이에도 이 인력이 작용한다고 결론을 내렸다. 뉴턴은 우주에 존재하는 모든 입자 사이에는 두 입자의 질량의 곱에 비례하고 거리의 제곱에 반비례하는 인력이 작용한다는 것을 설명했다.
중력상수 G는 1798년 캐번디시가 처음 측정했다. 사용된 실험장치는 가벼운 막대 양쪽 끝에 질량 m인 구를 붙여 가는 줄로 수평으로 매달아 놓은 모습이다. 질량 M인 두 개의 큰 구를 자은 구 근처에 높으면 큰 구와 작은 구 사이에 인력이 작용하여 막대가 회전하면서 줄이 비틀리게 되며, 막대의 회전각도는 줄에 붙어 있는 거울에서 반사된 빛으로 측정할 수 있다. 구의 질량이나 구 사이의 거리를 바꾸어 반복 측정함으로써 정확한 중력상수 값을 얻을 수 있고, 구 사이에 작용하는 힘이 인력이고 그 힘은 구의 질량들의 곱 mM에 비례하고 구 사이의 거리 r의 제곱에 반비례한다는 것도 알 수 있다.
매우 무거운 별들이 폭발하는 초신성과 같은 별의 중심에 남아 있는 물질은 붕괴를 계속하며, 그 중심핵의 최후 운명은 자신의 질량에 따라 달라진다. 중심핵의 질량이 태양질량의 1.4배 보다 작으면 그것은 점점 냉각되고 최후에는 백색왜성이 되어 자신의 생명을 끝마친다. 그러나 중심햇의 질량이 태양질량의 1.4배보다 크면 그 별은 중력 때문에 더욱 수축되어 중성자별이 되는데, 그 반지름은 약 10km정도로 압축된다. 그런데 중심핵이 태양질량보다 3배 이상의 질량을 가질 때에는 중력에 의한 수축을 막을 만한 힘이 자연계에는 존재하지 않기 때문에, 그 별은 우주에서 작은 물체가 될 때까지 계속 수축하는데, 보통 이런 것을 블랙홀이라 부른다. 우주선 같은 물체가 블랙홀 근처에 가게 되면 굉장히 강한 중력을 느끼게 되며 결국에는 영원히 갇히게 될 것이다. 공 모양의 물체로부터 이탈속력을 계산한 수 있는데, 만약 이탈속력이 광속도 c보다 크게 되면 물체의 복사도 이탈할 수 없어 물체가 검게 보이며 이 때문에 블랙홀이란 이름이 붙여졌다. 복사된 어떤 광선이나 입자가 빠져나오지 못하는 블랙홀의 임계 반지름 Rs를 슈바르츠쉴트 반지름이라고 한다.
비록 빛이 블랙홀로부터 빠져나오지 못해도 블랙홀 근처에서 일어나는 사건에 의해 방출되는 빛을 관측할 수 있다. 블랙홀의 강한 중력장에 잡히는 동료별은 X-선을 방출하므로 X-선 망원경으로 이들을 관측하여 몇 개의 블랙홀 후보들이 탐지되었는데, 그중 가장 유명한 것이 Cygnus X-1이다.
