Keeler získal na Lickovom observatóriu veľký počet fotografií rôznych oblastí oblohy s množstvom neznámych, zväčša špirálových hmlovín; na viacerých doskách boli stá takýchto hmlovín a dalo sa odhadnúť, že na celej oblohe je v dosahu 90 cm reflektora Lickovho observatória prinajmenej stotisíc takýchto objektov. Nedozerné možnosti poskytla fotografia na mapovanie oblohy. Už roku 1896 vyšla prvá časť fotografického atlasu Mesiaca, zhotoveného na parížskom observatóriu. Roku 1900 bol uverejnený katalóg presných polôh 454 875 hviezd južnej oblohy Cape Photographic Durchmusterung. Polohy hviezd na observatóriu v Kapskom Meste fotograficky získal anglický astronóm David Gill a na fotografických doskách zmeral holandský astronóm J. C. Kapteyn. Tento katalóg doplnil predchádzajúci katalóg polôh 323 198 hviezd severnej oblohy Bonner Durchmusterung, ktorý zostavil namáhavými vizuálnymi pozorovaniami nemecký astronóm Friedrich Wilhelm August Argelander (1799 až 1875) v rokoch 1855-1862.

Vlastný astrofyzikálny výskum sa však začal objavom spektrálnej analýzy; podnietili ho viaceré pozorovania slnečného spektra. Už roku 1802 anglický chemik a fyzik William Hyde Wollaston (1766-1828) objavil v spektre Slnka neurčité tmavé čiary. Systematickému výskumu slnečného spektra Sa Venoval Joseph Von Fraunhofer (1787-1826). Zdokonalenou pozorovacou metódou roku 1814 objavil v spektre Slnka 567 tmavých, ostro ohraničených čiar (Fraunhoferove čiary). Najvýraznejšie čiary označil dosiaľ používanými písmenami. Fotografickú metódu použili na štúdium slnečného spektra roku 1842 fyzik Alexandre Edmond Becquerel (1820-1891) a chemik John William Draper (1811-1882); Fraunhoferove čiary objavili aj v ultrafialovej oblasti spektra. Ich pôvod vysvetlil roku 1859 Gustav Robert Kirkhoff (1824-1887) a Robert Wilhelm Bunsen (1811-1899) na základe Kirchhoffovho zákona žiarenia, ktorý dáva do vzájomného vzťahu pomer medzi absorpciou a emisiou žiarenia pri určitej vlnovej dĺžke s absolútnou teplotou prostredia. Kirchhoff s Bunsenom dokázali, že Fraunhoferove čiary patria známym prvkom: sodíku, železu, vápniku a ďalším nachádzajúcim sa v slnečnej atmosfére v plynovom stave. Položili tak základ spektrálnej analýzy, ktorá umožňuje skúmať fyzikálne a chemické vlastnosti vesmírnych telies pozorovaniami ich spektra. Spektrálna analýza sa začala využívať hneď po jej objave. Anders Jöns Angström (1814-1874) premeral v slnečnom spektre vlnové dĺžky 1000 čiar a na základe Kirchhoffovej analýzy v ňom dokázal prítomnosť vodíka (1862). Pri zatmení Slnka roku 1868 Sir Joseph Norman Lockyer (1836-1920) a Pierre Jules César Janssen (1824-1907) nezávisle od seba objavili v slnečnom spektre jasnožltú čiaru dovtedy neznámeho prvku hélia.