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A Padova, con il nuovo strumento, Galileo compie una serie di osservazioni della Luna nel dicembre 1609, e il 7 gennaio 1610 osserva delle "piccole stelle" luminose vicine a Giove. Nel marzo 1610, rivela nel "Sidereus Nuncius" che si tratta di 4 satelliti di Giove, che poi battezza Astri Medicei in onore di Cosimo II de' Medici, Gran Duca di Toscana. Soltanto in seguito, su suggerimento di Keplero, i satelliti predneranno i nomi con i quali sono conosciuti oggi: Europa, Io, Ganimede e Callisto.
La scoperta di un centro del moto che non fosse la Terra comincia a minare alla base la teoria tolemaica del cosmo.
Nel luglio dello stesso anno, Galileo osserva Saturno al telescopio: non riuscendo con il suo strumento a distinguerne gli anelli, che all'epoca non erano conosciuti, egli crede che sia composto di tre corpi celesti distinti e gli da' il nome di Saturno tricorporeo.
Mentre in tutta Europa altri astronomi (tra cui Keplero) osservano i satelliti gioviani, Galileo, tornato a Firenze, osserva le fasi di Venere e le macchie solari.
Nel 1611, lo scienziato viene ammesso all'Accademia dei Lincei.
Negli anni successivi, si accende una disputa intorno alle sue scoperte; l'interpretazione che ne da' lo scienziato confuta la teoria tolemaica del moto, adottata ufficalmente nel mondo scientifico e religioso dell'epoca, e conferma invece la teoria copernicana.
L'inquisizione bolla come eretica questa teoria e proibisce formalmente a Galileo di appoggiarla. Il testo "De Revolutionibus Orbium Coelestium" di Copernico viene messo all'indice. Nell'aprile del 1630, Galileo termina di scrivere il "Dialogo sui due massimi sistemi del mondo", nel quale le teorie copernicana e tolemaica vengono messe a confronto; in seguito concorda con il Vaticano alcune modifiche per poter far stampare l'opera, ma decide poi di farla stampare a Firenze, nel 1632.
Papa Urbano VIII, esaminato il "Dialogo", ne proibisce la distribuzione e fa istituire dall'Inquisizione un processo contro Galileo.