Galilée observa dans un premier temps la Lune, le Soleil, Vénus et Jupiter ses observations se déroulent entre 1609 et 1610.

Il observa les phases de la lune (pleine lune, premier quartier..) grâce à sa lunette.

Une lunette astronomique est un instrument optique qui permet d'augmenter la taille apparente et la luminosité des objets du ciel lors de leur observation.

Galilée est le premier observateur des étoiles.

Jusqu'en avril 1609 la lunette de Galilée reçut un accueil très réservé de la part des intellectuels et des éminences de Venise.

La plupart des observateurs jugeaient que si l'instrument était utile pour agrandir la vision des objets terrestres, les images qu'il donnait du ciel étaient "trompeuses [au point que] certaines étoiles fixes apparaissent doubles... et tous ont admis que l'instrument induit en erreur"

Lorsque, pour la première fois, Galilée regarde la Lune à travers sa lunette, il n'en croit pas ses yeux.

Il voit qu'elle a des montagnes, des cratères et des vallées.

Il fait des dessins de ce qu'il voit et s'aperçoit que les ombres se déplacent.

Il comprend très vite que c'est exactement ce qui se passe en montagne sur Terre.

La ligne qui sépare la partie éclairée de la partie sombre et que l'on appelle "terminateur" délimite la séparation entre le jour et la nuit sur la Lune.

Le Soleil éclaire d'abord le sommet des montagnes tandis que les vallées restent dans l'ombre; puis, petit à petit, le Soleil pénètre au fond des vallées.

Galilée quant à lui, observa une zone transitoire entre l'ombre et la lumière, le terminateur, qui n'était en rien régulière, ce qui par conséquent invalidait la théorie aristotélicienne.

Galilée en déduit l'existence de montagnes sur la Lune et estime même leur hauteur à 7000 mètres, davantage que la plus haute montagne connue à l'époque. Il faut dire que les moyens techniques de l'époque ne permettaient pas de connaître l'altitude des montagnes terrestres sans fantaisie.

Quand Galilée publie son Sidereus Nuncius (Messager Céleste), il pense que les montagnes lunaires sont plus élevées que celles de la Terre, bien qu'en réalité elles soient équivalentes.

Le Sidereus Nuncius est un court traité d'astronomie, écrit en Latin par Galilée en mars 1610 et publié en avril suivant.

C'est le premier ouvrage scientifique reposant sur des observations faites grâce à une lunette astronomique.

Il contient les résultats des premières observations de Galilée sur la Lune, les étoiles et les lunes de Jupiter. Seulement six semaines séparent le début de la rédaction de la publication de l'ouvrage.

Grâce à la lunette astronomique, Galilée et trois autres observateurs (Ptolémée, Aristote, Kepler) découvrent en 1611 des taches sur Soleil.

Les premiers observateurs supposent le que ce sont des planètes inconnues, plus proches du Soleil que Mercure.

Galilée pense d'abord qu'il s'agit de nuages inconnus passant devant le Soleil mais il découvre vite que les taches sont liées à la surface du Soleil.

Malgré ses observations et ses calculs, beaucoup d'astronomes de son temps ne veulent pas croire à l'existence de montagnes sur la Lune car, disent-ils, s'il y en avait, on devrait les voir sur le limbe (le bord).

Or celui-ci paraît lisse. Galilée explique que cette impression est due au fait que les montagnes se cachent les unes les autres...

Il publie en 1613 la Storia e dimostrazioni intorno alle macchie solari (Histoire et démonstrations sur les taches solaires).

La découverte des taches du Soleil déclenche une polémique : nombre de savants aristotéliciens de l'époque ne pouvaient admettre que le Soleil, corps "parfait" selon Aristote, possède des taches !

Observation des tâches solaires, de Vénus et de Saturne…

Galilée dirige sa toute première lunette sur Vénus. Elle se présente alternativement en forme de croissant, de quartier ou de disque.

Après cette première découverte, il veut attendre d’avoir fait de nouvelles observations, avec un instrument plus puissant.

Quelques semaines plus tard, il annonce que Vénus présente des phases comme la Lune.

On avait depuis longtemps remarqué combien largement et régulièrement varie l'éclat de Vénus.

Mais, pour Galilée, la présence des phases de Vénus est en accord avec la théorie de Copernic : Vénus tourne autour du Soleil.

Le 7 janvier 1610, Galilée distingue à la lunette trois étoiles, fort petites, à côté de la planète Jupiter.

Tout d'abord, il pense qu'il s'agit d'étoiles fixes, mais leur position éveille sa curiosité : elles se trouvent alignées par rapport à Jupiter, deux à l'est et une à l'ouest.

La nuit suivante, "poussé par quoi, je ne sais", il tourne à nouveau sa lunette vers Jupiter et découvre à sa grande stupéfaction que toutes se trouvent maintenant à l'ouest de la planète.

Comment, se demande-t-il, Jupiter peut-elle s'être déplacée à l'est de ces étoiles alors que la nuit précédente elle se trouvait à l'ouest de deux d'entre elles ?

Les nuits suivantes, les positions varient à nouveau. L'une des étoiles disparaît, puis réapparaît, puis est rejointe par une quatrième que Galilée n'avait pas encore vue.

Il n'y a qu'une conclusion possible : ce ne sont pas des étoiles fixes, mais des petites « lunes » accomplissant autour de Jupiter des révolutions.
Sa stupéfaction est telle qu'elle aurait pu être difficilement plus grande s'il avait su, comme nous le savons aujourd'hui, qu’une quarantaine de « lunes » gravitent autour de Jupiter.

Les quatre plus grands satellites de Jupiter son Io, Europe, Ganymède et Callisto.

Io (J I Io) a était observée pour la première fois le 7 janvier 1610 par Galilée, elle fut nommée ainsi par Simon Marius d'après Io, conquête amoureuse de Zeus persécutée par l'épouse de ce dernier, Héra dont elle avait été prêtresse.

Europe observé pour la première fois le 7 janvier 1610 par Galilée.

C'est Simon Marius qui la nomma en l'honneur d'Europe, princesse phénicienne, ravie sur une plage de Sidon par Zeus qui s'était métamorphosé en taureau blanc. De leur union naquirent Minos, Rhadamanthe et Sarpédon.

Ganymède est le plus grand satellite naturel de Jupiter. Il s'agit du plus grand satellite du système solaire, plus grand que Mercure.

Il fut observé pour la première fois en 1610 par Galilée, en même temps que les autres lunes galiléennes.

Cependant il semblerait que Gan De, un astronome chinois l'ait découverte en 362 av. J.-C. 

Callisto découvert en 1610 par Galilee Galilei[8]. C'est également la lune galiléenne la plus éloignée de Jupiter[3] et la seule à ne pas être en résonance orbitale.

Callisto se serait formée par accrétion du disque de gaz qui entourait Jupiter après sa formation.