伽利略自从制造出望远镜以来，他一心扑在改进望远镜和天文观测上。常常是白天研究改进望远镜，晚上对着天空观测天象。因此很少时间回到玛丽娜和他的孩子们中间。更没有时间与他们闲谈，因此常引起玛丽娜的不快。玛丽娜希望过普通人的生活，而伽利略满足不了她的要求，于是玛丽娜决定离开伽利略，嫁给威尼斯的一位她早年的男友。他们之间没有争吵，心平气和地达成分手协议。女儿维金妮娅和梨维亚随伽利略与他在佛罗伦萨的家人住在一起，儿子万桑佐当时太小，暂由玛丽娜抚养，生活费用由伽利略负担，长大后再作安排。于是，这个形式上的家庭和平地解体了。伽利略或许感到轻松，或许感到孤独。但是。可以肯定，再没有什么烦恼干扰这位天文学家的夜晚了。
1609年冬季的一天晚上，伽利略将他新研制的望远镜对着他追索的新目标——银河望去。他发现横贯长空的银色光带，原来并不是人们以为的“云带”，而是由亿万颗星星组成的。接着他将望远镜对准被称为“星云”的薄雾状天体。奇怪，薄雾不见了！“星云”变成了一簇簇明灭闪烁的群星。伽利略明白了，这些星星离我们太遥远，比太阳还要远好多倍，以至于它们的光线到达地球上时已十分微弱了。因此，人们看去好像一团发光的云雾。毫无疑问，银河和大大小小的星云，都是由无数恒星组成的。这无可辩驳地证明布鲁诺预言的正确：宇宙是无限大的。
16l0年1月7日，这个日子将永载史册。当伽利略将望远镜对准木星时，发现木星附近有3颗小星，两颗在左，一颗在右，呈直线排列。这令他大为惊讶。因为他记得前一夜的观察中这三颗星都在木星左边的一条直线上。
这个现象引起了伽利略的兴趣，他想，为什么其中一颗星星会改变位置呢？莫非是这些小星之中有一个是“游星”？或是木星本身改变了位置？他下决心弄清这些小星星与木星的关系。第二天晚上，伽利略再进行观察时，发现这三颗小星又改变了位置，它们都跑到木星右边去了。
伽利略感到无比的惊奇。按照木星运行的轨道，它不应该向左边走。可是，现在它却在这三颗星的左边了！也许不是木星向左行，而是由于三颗星向右边运动了。伽利略继续观察，又一个夜晚，只出现了两颗小星，并列排在木星左侧。
第三颗星哪里去了？伽利略猜测这颗小星可能在木星的背后，被木星挡住了。
1月13日夜，伽利略又观察到木星周围共有4颗小星，排列位置是：一颗在木星左边，3颗在木星右边。
伽利略继续观测了一段时间，根据观测结果，他断定这四个小天体是在绕木星运转。正像月球围绕地球运行一样。并且木星在天空运行时，它们也随其一起运行。伽利略的这一发现传到了大天文学家开普勒那里，开普勒把这4个小天体称作“卫星”。为了纪念伽利略的贡献，天文学上称之为“伽利略卫星”。直到今天这4个小天体仍统称为“伽利略卫星”。据史书记载，伽利略卫星是行星系统中第一批被发现的新天体。
看到木星的四个卫星环绕木星运行的情景，伽利略不禁发出慨叹：这幅图景多么像一个小型的太阳系呀！它恰恰说明地球也是这样带着它的卫星月球绕着太阳运行的。他为哥白尼学说找到了直接的实验证据。
伽利略按捺不住心头的喜悦，他要尽快向世界宣布他的发现。1610年，伽利略用拉丁文写成《星际使者》一书在威尼斯出版。书中宣布了木星的4个卫星及其他科学发现。伽利略的科学新发现震撼了全世界。
为了表示对科西莫大公的敬意，也为了早日实现他成为宫廷教授的愿望，伽利略将他发现的4颗木星的卫星，命名为“梅迪西斯星”（梅迪西斯是科西莫大公家族的姓氏）。他还在《星际使者》一书的扉页上题词，“呈献给杜斯干第四大公爵科西莫二世殿下”。下面附有一段说明：“人们为伟人塑像或用伟人的名字来命名建筑物以表敬意，我将以大公家族的名字命名4颗星星。时问会毁坏建筑和塑像，而星星却永远在天空中闪耀。“伽利略又将这本书和一架望远镜一起送往佛罗伦萨，赠给科西莫大公。
