在史学、文学之外，司马迁对天文学也有杰出的贡献。他主持了历法的改革，在《史记》中，对天文学给予了特别的关注。不但在许多篇本纪、表、传中记载了丰富的天文学资料，而且还写了《历书》和《天官书》，开创了中国史书系统地记述天文学资料的优良传统。我国历代天文学资料之所以能大量流传至今，并成了可以说是全人类的珍贵文化财富，追本求源，司马迁的功绩是不可磨灭的。司马迁是一位当之无愧的天文学家。
交食周期的首次提出
自古以来，人们认为日食和月食是一种不可预测的天变现象。在惊惧之下，人们认为这是上天示警，并且进一步提出了种种星占学的结论。然而，日、月食是日、月、地三者处于特殊的相对位置——几乎或完全成一直线 ——时必然会出现的一种自然现象。而日、月的运动（实际是地、月的运动）是有规律的，因而日、月食的发生也是有规律的。当然，人们认识这些规律曾经经历了很长很长的时间。而司马迁在这个过程中起了开创性的作用。
司马迁分析了历代的月食记录，他一破月食不可预测的成见，总结出月食现象的发生存在一种周期性的规律。他在中国历史上第一次提出了一个交食周期的数据。《史记·天官书》中说道：“月食始日，五月者六，六月者五，五月复六，六月者一，而五月者五，凡百一十三月而复始。故月蚀，常也。”这一段文字中的数字由于千百年流传中的讹误而有矛盾，但，月食是有规律的，月食是件正常的天象，这却是叙述得十分明白的。一般研究者都认为，司马迁的交食周期就是后来刘歆《三统历》里的数据，即，一百三十五个朔望月。如果是这样，那么上引《天官书》中的数字，自“六月者一”起可改为：“六月者五，而五月者三，凡百三十五月而复始。”
正是由于司马迁发现了月食现象中有周期规律，人们此后才能自觉地去探求日、月食现象中的其他规律性，并由此而发展起中国传统的日、月食预报工作。
行星方面的发现和发明
早在先秦时代，人们即已发现，在相对位置固定不变的众多繁星之间，有五颗星在不断地运动着，即今所谓行星。行星运动在大多数情况下是按照从西向东的方向，称为顺行。但有时也会出现从东向西运动的情况，而在方向变换关头则会发生行星相对静止不动的现象。前者称为逆行，后者称为留。由于逆行和留在行星运动的整个过程中只占很短的时间，因此在司马迁之前人们虽然早已观测到行星有逆行，但却认为除了火星和金星的逆行之外，其他都是一种反常的变异；至于就火星和金星来说，人们认为它们的留仍是一种反常的变异。这些反常现象都被归入到了星占学的范畴里去了。
司马迁分析了汉兴百余年来的史官行星观测记录，并结合他自己的观测验证，他发现，在五个行星的运动中都有逆行现象有规律地出现。《天官书》中说道：“余观史记，考行事，百年之中，五星无出而不反逆行。”进而他对每个行星都总结和建立了第一份动态完整的行星动态表，其中包括了每个行星在一个会合周期中的顺行、逆行和留各个阶段的运行时间和所行度数。尽管司马迁所定的行星动态表精确度还不高，但是他把逆行和留都归入到正常的、可计算的范畴里来，从而为我国的行星运动研究建立了一个新的起点。
司马迁是一个敏锐的观测者。他指出，行星在逆行时比顺行时可能更加明亮。他说：“反逆行，尝盛大而变色。”①由于逆行大多发生在行星离地球比较近的时期，因此，观测者自然会看到它比较明亮。他还指出，金星可以亮到照出地面物体的影子，甚至可以见到它在白昼过子午线②。这些结论也大体是符合实际的。
五颗行星，在司马迁之前一直有独特的名字。例如，土星称为填星，木星称岁星，火星称荧惑，金星称太白，水星称辰星。还有其他各种名称。这些名称来源于各种不同的特征。例如，土星的恒星周期为近于28 年，古人认为它每年在二十八宿的一个宿内运行，将之填满，因称填星。岁星的恒星周期近于12年，古人认为它一年在十二次中的一个次内运行，观测岁星位置所在即可纪年。荧惑则因这红色的星运行规律复杂，古人感到困惑，故名。太白则因其色白而明亮。辰星则因其距太阳最远不超过一辰（一周天的十二分之一，即 30°）。其他的名称则根据种种不同的原由而来。到了司马迁的时代，他的《天官书》里第一次出现了土、木、火、金、水这五大行星的名称。它们是在古代五行理论的支配下，根据五星的颜色特征而提出的。按五行理论，五行配五色，即土黄、木青、火红、金白、水黑。而土、木、火、金这四颗行星的颜色确实与此相符。这也从一个侧面反映了司马迁天文观测的精细。当然，水星的颜色并不是黑的。司马迁也知道这一点。它的命名只是为了凑合五行理论。
传下了第一个全天星官体系
为了辨认恒星、观测及记录天象的方便，古人把恒星多寡不等地组合起来，每个组合有一个特定的名字。这种组合统称星官。
《天官书》是现存介绍全天星官的最早的完整文献。虽然在战国时代的石申（一作石申夫）《天文》八卷（后又称《石氏星经》）和甘德《天文星占》八卷（后又称《甘氏星经》）等著作也有他们自己的全天星官体系，但这些著作都没有完整而可靠地流传下来。现在只能在唐代的一些星占著作（如《开元占经》等）中见到大量标为“石氏”和“甘氏”的文字片段，它们都是后人增删摘取的结果，无法反映出先秦时代的石氏和甘氏星官体系的全貌。
《天官书》将中原地区可见的全部星空划分成五个天区，称为五宫。在北极周围的称为中宫，有星官14 官；其他天区则划为东宫，16官；南宫，20官；西宫，19官；北宫，19官。合共88个星官。这些星官的命名大多取材于人间，包括各级官吏、诸侯、古帝、贤相、各种器物、动物、植物等等的名称。人们一见这个体系定以为步入了一个天上的封建王国。其与古希腊的星座命名大异其趣。
鉴于“司马氏世典周史”，司马谈父子又均任太史令的事实，我们有理由提出，《天官书》的星官体系是司马氏的体系。它的渊源可能追溯到先秦。它的最晚完成时间当不会晚于《天官书》撰成的年头公元前一世纪初。这个体系当也是汉朝皇家天文机构所使用的体系。
把这个体系与世传的各个石氏、甘氏、巫咸氏等各家古星官体系比较，可以看出，这些体系中都有若干星官是受到《天官书》的影响和启发而组合命名的。例如，《天官书》说：“胃为天仓”，意为胃宿是天上的粮仓。而石氏却因此而另组合了天仓一官。《天官书》说：“张，素，为厨”，意为张宿是南宫朱鸟的嗉子，又是天上的厨房。而甘氏却因此而另组合了天厨一官。又，《天官书》说：“天极星，其一明者，太一常居也；旁三星，三公。”太一是秦及汉初最尊重的天神，也是天帝的别名。把天帝置于明亮的北极星的位置上是非常恰当的。三公，指太尉、司徒和司空这三个权位最高的官职，它们之设在天帝的边上自然也是合乎情理的。但是，甘氏却另外设立了三公星官。石氏则把太一独立成一星官，置于一个离天极相当远的一颗小星上。显然，甘氏的三公和石氏的太一两星官都是在《天官书》之后出现的。总之，由于《天官书》的时代下限是明确的，以此来研究后代流传各古星官体系可以收到意外的效果。
恒星的颜色观测
恒星的颜色是恒星的重要物理特征之一。《天官书》是我国第一部记述恒星颜色的可靠文献，它给后世留下了十分有价值的资料。书中所记的恒星颜色有：
质，白色；狼，白色；心大星，赤色；参左角，黄色；参右肩，苍色；奎大星，黑色；南极，赤色；昴，白色。
质，即现代天文学上所谓的鬼星团，M34；昴，即今所谓昴星团，M45；参右肩，即参宿七，猎户座γ星；心大星，即心宿二，天蝎座α星；狼，天狼星，大犬座α星。司马迁对上述恒星或星团的颜色描述都是正确的，和现代观测到的一致。奎大星为仙女座β星，红而较暗，《天官书》为适应五行配五色的理论，因而称之为黑色。考虑到中国有把深色的东西称为墨色的习惯，则奎大星之色也可算勉强符合实际。
不符合现今观测所见的有两颗星。一是南极，即所谓老人星，船底座α星。现今所见为-0.86 等的亮度，光谱型为F0，属黄白色。这与《天官书》所称“赤色”相差太远。这倒不是司马迁观测有误，而是因为这颗星的赤纬太低，对黄河流域的观测者来说，它显露在地平上的高度最多只有5°左右。在离地平线这样近的地方，地面空气对星光的吸收比较利害，从而使恒星的颜色变得发红了。
因此，总的来说，我们对司马迁的恒星颜色记载的客观性是没什么可怀疑的。
这样，我们对唯一一颗其颜色记载与现代观测不同的恒星就必须作认真的对待。这颗参左肩，今名参宿四，猎户座α星。现今观测到的是颗0.92等亮度的红色的Mα型星，而司马迁记其为黄色。在二千年中，这颗星从黄色变成了红色，这只能表明这颗星本身发生了某种巨大的变化。此事引起了现代天文学家的兴趣，对之作了许多研究，并因之又一次对中国古老的文化遗产引起了赞叹和钦佩。
提出恒星亮度概念的雏型
亮度是表征恒星物理特征的一个重要的量。现代天文学上用星等来反映恒星亮度的大小。星等数值越小，亮度就越亮。1等星就比6等星亮100倍，而1等星则比2等星亮（100） 倍，如此等等。用数字表征星的亮度，这个方法起源于古希腊，当然，当时是没有严格的数量定义的，即，当时并不知道1等星比6等星亮100倍的具体数值，因为当时还不掌握测量亮度的具体原理和方法，而只是凭肉眼的大概估计。然而正是有了这种直观的数量估计，才会发展起后来有严格定义和科学量度原理与方法的恒星亮度概念。
长期以来，人们都从未想到中国古代是否有恒星亮度的概念问题。因为从未发现过中国有用星等数值来表征亮度的记述。然而，恒星有亮有暗，这是个明显的事实。中国古代的天文观测家不会不注意到这个事实。我们仔细分析《天官书》的文字描述，发现其中有着某种恒星亮度概念的雏型。
《天官书》中注意到恒星的亮暗问题，它用五种文字描述来反映恒星的明亮程度。虽然《天官书》并未给出这五种描述文字的严格定义，因而它们彼此间的界限是很难划清的，但是，从总体来看，它们之间的区别还是可以分辨的。
第一种描述是“大星”。被称之为大星的，在介绍全体星官的那部分文字中共有10颗，其中9颗已被证认出来，它们是（按通用古星名、通用国际名、星等数值排列）：
心宿二（天蝎座α，1.22等）
南门一（半人马座β，0.86等）
南门二（半人马座α，0.33等）
轩辕十四（狮子座α，1.34等）
毕宿五（金牛座α，1.06等）
天狼（大犬座α，—1.58等）
南极老人（船底座α，-0.88等）
北落师门（南鱼座α，1.29等）
河鼓二（天鹰座α，0.89等）
这9颗星中最暗的是轩辕十四，但也有1.34等，即，仍是属于现今所谓一等星的范围。如计算这9颗星的平均星等，则为0.51等。
至于第10颗星，司马迁称之为将位，它的位置应在今所谓后发座的范围内。但这个星座内没有什么亮星。一般认为，将位星即后世所谓的“郎将”星。但此星星等只有5.07 等，这就不但不是一颗亮星，简直是一颗很暗弱的星了。然而，从前面9颗星的分析可知，司马迁的大星称号不是胡写的。我们只得认为，也许必须用现代天文学的方法来研究这一天区有无恒星亮度变化的问题。
此外，在介绍金星颜色变化的一段文字中，还谈到一颗“奎大星”。奎宿一共16 颗星。这颗奎大星，后称奎宿九，即仙女座β星，星等为2.37等。它与前述9颗大星相比至少暗了1个星等。因为一个星官中常常不止一颗星，为了称呼其中的某一颗星时，古人常常不得不借助于该星在整个星官中的位置或该星与其他星的亮度比较。前者如称“参左肩”、“参右肩”之类；后者如称这颗“奎大星”。细察全天星官部分中介绍的大星，大多是与全天其他星官比较而言的，与奎大星这种主要就一个星官范围内而言的大星意义有所不同。加之，奎大星之称并不在介绍全天星官的那部分文字中出现。因此，我们不认为“奎大星”应属于前述10颗全天范围内的大星之列。话说回来，即算把“奎大星”也计算在内，则也不过把大星的平均星等增到0.69等而已，就平均数而言影响不大。
第二种描述是“明者”。只有一颗星有这称谓，即“北极”星官四颗星中最亮的一颗。今称帝星，小熊座β星，星等2.24等。
第三种是没有任何描述的一般星。《天官书》中记的全天星官共约500多颗星。其中绝大部分未加亮度描述。这些无描述的星中有亮到2等以上的，乃至象织女星这样很亮的星；也有暗到5等以下的星；不过，其中大多数是3—4等左右的星。
第四种描述是“小星”。明确被这样描述的有三颗星：
轩辕御者（狮子座31，4.58等）
长沙（乌鸦座 ，4.42等）
附耳（金牛座92，4.85等）
另外还有紫觿三星 ，被称为“小三星”。这个“小”字也可理解作指所占范围小。但如果也理解作指亮度小，则6颗星的平均亮度为4.42等。如果不计这“小三星”，则三颗小星的平均亮度为4.62等。
第五种描述是针对最暗的星的，称为“若见若不”。这种描述只对“阴德”三星用过。这三颗是天龙座10 号星和南京大学《全天恒星表》（1972年出版）中的11880号和11686号两星。它们的星等分别为4.77等，5.70等，6.66等。其中第一颗星不难看到，第二颗就较难看到，第三颗星则必须有很好的目力，在很好的天气条件下才能看到，故此司马迁称这一星官是“若见若不”。这三颗星的平均星等为 5.71等，也是在常人目力能见的边缘上了。
总起来说，司马迁对星体亮度的五种描述大体上可以这么区分：“大星”为1.5 等以上的星；“明者”为2等左右的星；一般无描述的为3—4等星；“小星”为4.5等左右的星；“若见若不”为5—6等以下的星。尽管这几种描述有交叉，但大体上的区别还是明显的。这种恒星亮度概念发展下去，未尝不可形成一种严格的系统。但很可惜，司马迁开创的事业后世并没有沿着正确的道路予以发展，致使这一工作被埋没了二千多年。
关于变星的观测
变星是一种亮度在不断变化的恒星。对变星的研究是现代天文学上的一项重要课题。因为大气现象也能导致人目所见的恒星亮度变化，所以人们对古人遗留下的大量关于恒星亮度变化的记述难以鉴别。但是，有些变星，它的最大亮度在人目可见的范围内，而最小的亮度又在人目不可见的范围，这样忽隐忽现的变星既容易被勤于观测的中国古代天文工作者所发觉，而我们后人也容易对之进行鉴别。《天官书》就有几处记述了这类变星隐现现象：
“贱人之牢。其牢中星实则囚多，虚则开脱。”
“（天）市中星众者实，其虚则耗。”
“三柱。柱不具，兵起。”
所谓“贱人之牢”，主要包括北冕座的半圆形部分，其中有三颗变星R、 S和T星。变幅分别为5.8—12.6等、6.1—12.0等以及2—9.5等，都是变化在可见与不可见之间的变星。唐代张守节在《史记正义》中注解这一段时写道：“牢口一星为门，欲其开也。……一星不见有小喜，二星不见则赐禄，三星不见则人主德令且赦。”撇开这些星占话语不谈，其中谈到正好是三颗星有不见的现象，而北冕座T星又正好在半圆形的边上，符合“牢口一星为门，欲其开也”的话。可见，司马迁说的星实，即是指R、S和T三星的出现；星虚，则是指它们的隐没。
“天市”，司马迁说的是四颗星，它们是蛇夫座α、κ、ν三星及巨蛇座η星。这四颗星的范围内有蛇夫座U及RS变星两颗，变幅分别为5.8—6.5等及5.3—12.3等。它们当是司马迁“星众”、“（星）虚”之说的实际内核。
“三柱”是指“五帝车舍”（后世称“五车”）五颗星范围内的三组星，每组三颗星，都是成尖锐的小三角形。其中西北方一柱为御夫座 、三颗星。 均为变星， 的变幅为5.0—5.6等。在天气条件较差的情况下， 是有可能看不见的。这时就可以说是“柱不具”。
总之，司马迁观测到并记下了多颗变星。这项成就在当时世界上是不多见的。
对奇异天象的介绍和记录
所谓奇异天象，这里是指并不经常出现的，古人因不明其本质而对它有神秘感的天象，其中包括各种彗星、大流星、陨石、新星和超新星、极光，以及一些大气光学现象。对于这些天象，古人起了各种各样的名字。单单看这些名词，现代人已难知它们究竟是什么。而这些长达几千年的天象记录却是当代天文学研究极感兴趣的对象，因为许多天象的规律性只有在很长的时期才能充分显示出来。所以，人们必须求助于古人对天象的具体描述和介绍。在全面介绍这些奇异天象的古书中，《天官书》是最早的一部（虽然马王堆汉墓出土的帛书《天文气象杂占》比《天官书》时代更早，但其中只有图像，而文字却全系星占条文，并无天象本身的描述，除了彗星外，其他是很难判别的。另外，在《开元占经》中虽有一些石氏和甘氏的有关片断，但它们是否都是战国时代石申、甘德的遗文，还很难说）。
《天官书》记载的奇异天象名称共有20多个。从对它们的具体描述来看，大体上有以下几类：
1.彗星《天官书》中记有天欃、彗星、天欃、天枪四，那都是具有直而长的彗尾的彗星。有蚩尤之旗，那是尾巴特别弯曲的彗星。有五残星，那是有五条彗尾的彗星，等等。
2.大流星和陨石有的大流星，由于气流的影响，它的余迹会发生扭曲变化，人目看来就好象蛇行一样，称之为枉矢。有的流星体很大，它们能进入到低层大气，形成火流星，最后堕入地面，造成很大的陨石坑，陨石形如狗，因称之为天狗。有的火流星未堕到地面就爆炸毁灭了，如果它们发生在白昼，人们看不到（或注意不到）它们的亮光，而只听见它的爆炸声，这就是《天官书》中说的天鼓。关于一般堕落地面的陨石，《天官书》称为坠星。
3.极光《天官书》中记载了多种极光现象。烛星：一种象火炬形状的极光。卿云：若烟非烟，若云非云，是一种无定形的弥散光面型极光。天开：在黑夜的天幕上突然出现一条光带，好象天开裂了一样。还有归邪、旬始等，都是各种形状的极光。
4.黄道光《天官书》关于格泽星的描述就是一幅黄道光图像的写照：“如炎火之状，黄白，起地而上，下大上兑（锐）。”在太阳系中存在许多尘埃粒子，它们主要分布在黄道面及其附近。太阳光照在这些尘埃粒子上，再反射出来，被人们观测到，就成为黄道光。它的图像就如上述格泽星的描述。因为它很微弱，所以很难观测。西方是在十七世纪由法国天文学家开始观测的。因此，司马迁在公元前一世纪的描述不能不使人感到惊奇。
5.新星和超新星它们绝大多数是原来暗得肉眼不可见的恒星，忽然亮度增加几千乃至几万倍，人们就看到天上新出现了一颗星，因称新星。有的会增亮几千万乃至几亿倍，就称为超新星。新星和超新星的亮度后来又慢慢降下去，逐渐消失不见。古人因称之为客星。有的客星很亮，受大气衍射的作用，看上去好象射出许多光芒，古人因而又称为孛星。这两种名称在《天官书》里都有记载①，但奇怪的是未作定义性描述。由于彗星也具有出现后又消失的现象，有极少数彗星也会向四周所有方向喷射出气体，因此古人也把彗星称为客星或孛星。精细如司马迁，居然未能从运动或不运动来区分彗星和新星、超新星，这是非常遗憾的事。
除了上述这些奇异天象名称的介绍外，《天官书》中也有一些天象的记录。但这些记录极为粗略，无法具体确定其发生的日期乃至年份。从这一点来说，《天官书》的意义不是提供了宝贵的历史记录，而是开创了一个在纪传体史书中有专门篇幅保存天象记录的先例（至于准确的天象记录则在《史记》的一些本纪和年表中有所记载）。
对太初历工作的作用、贡献和批评
太初改历是由司马迁发起的。他也参与了安装仪器、进行观测的工作。可是最后实施的是邓平、洛下闳的太初历，而这种历法与《史记·历书》中所记的《历术甲子篇》是完全不同的。《历术甲子篇》中所记的，是一种四分历。它的基本数据是一回归年的时间为365 日（因而称为四分历），一朔望月的时间为29 日。邓平等人的太初历，其基本数据则为一朔望月时间为29 日，一回归年时间为365 日。化成十进制小数就可知道，这两组数据十分相近，而以四分历为略优。司马迁的拒绝太初历，是有一定道理的。
但是，司马迁在历法问题上有他的缺点。为了强调这次改历的历史意义，使汉武帝的统治获得一种神圣性，他和一些同事把历法时刻所在的年名加以改动，称为焉逢摄提格，用干支来表示即为甲寅。这个年名得到汉武帝的批准，在改历诏书中予以发布。然而，按实际的年名，当时应该是丙子年。改为甲寅，一下断开了38年，给历史记载和推算添加了种种麻烦。这使最早奉命改历的人发生意见分歧，导致有人上疏“不能为算”的一个可能的原因。不管怎么着，后来邓平等的太初历并未采用这个年名，使纪年保持了连续。从这一点来讲，邓平是对的。
在天文学思想方面的贡献
司马迁要“究天人之际”，这就是要研究天和人间的兴亡治乱之间的关系。
古代统治阶级认为，天是有意志的，它主宰着人间的命运，帝王则是受天之命来统治人民的。天通过天上的各种现象来警示地上的帝王臣民：人间将要发生何种大事了。至于何种天象将预示何种人间大事，则是中国古代星占术研究的内容。天和人间两者有着神秘的关系，这种关系古代称之为“天数”。历代帝王设立了官方的天文机关，其职责之一就是要监视天象，以猜测天的意向。司马迁本人当过多年的官方天文机关的负责人——太史令。他自认他的家族世代是传“天数”的，他的祖先是重、黎、羲和，都是星占家兼天文学家。司马迁本人也不可能跳出这种阶级的和社会的局限，他也相信星占术。他的《史记·天官书》中充满了星占术的语句。这是时代使然，也不足怪。
然而司马迁却并不受星占术所束缚。在他研究天人关系的过程中常常发现客观的天文现象和以往星占家所传的条文有明显的矛盾，在这样的时候，司马迁并不怀疑客观现象的真实性，而是宁可对星占术作出局部的否定。
作为太史令，司马迁有条件掌握历代遗存的天象记录和人事史料。仔细研究了这些材料后，他发现，过去的许多星占术文是靠不住的。他说：“幽、厉以往尚矣，所见天变皆国殊窟穴，家占物怪，以合时应，其文图籍?祥不法。”“近世十二诸侯、七国相王，言从衡者继踵，而皋、唐、甘、石因时务论其书传，故其占验凌杂米盐。”这就是批评这些星占家们并没有固定的原则，而是见风使舵，“以合时应”，“因时务论其书传”。这一来就降低了星占家们“通天”的神圣形象。
作为历史学家，他研究史料的结果认为，“国君强大有德者昌，弱小饰诈者亡”①。这个思想就突破了天命的观念，强调的是国君的行为对国家兴亡的作用。由此他提出，在见到天变之后，对国君来说，“太上修德，其次修政，其次修救，其次修禳，正下无之”②。这些对策反映出，司马迁并未彻底否定天的作用。不过有意思的是司马迁把“修禳”放在对策的最末一种，而把调整国君行为的“修德”、“修政”作为第一、第二种对策。这就是说，在司马迁看来，对于国家的命运来说，国君自己的行为比天意的作用要大得多。而这个思想，实际上可以说已否定了天意的作用。因为，如果人的作用盖过了天，那么也就谈不上什么天的至高无上了！由于司马迁有这样的认识，所以他在分析历史上的重大事件，如七国兴亡、楚汉相争之类，虽然也用过不少天命之类的语言，但是他也从他自己的立场、观点出发，作了许多纯属人世的经验总结。尽管这类总结的正确性还大可讨论，但它们和天意、天命决定论之类的思想相比是高明得多了。而这种纯属人间的经验总结才是历史学家司马迁的本质。
天文现象和任何自然现象一样都是有规律的。但是，许多天文现象的规律性比较复杂而不能立即辨出。比如说，由于地球既有自转，又有公转，因此离地球不远而同绕着太阳运动的行星，在地球上的人看来其运行规律就不是很简单。又比如说，月亮绕地球转的轨道平面和地球绕太阳转的轨道平面不相重合。因此造成日、月、地三者有时会在一条直线上的局面，这时就发生日食或月食。但由于月亮和地球的公转周期不可通的，月亮的运动速度和月亮轨道本身都有比较复杂的变化，这就使不大能看到的日、月食的出现显得更加捉摸不定。如此等等的现象在古代世界天文学知识极其低下的时候是不可理解的。按照中国古代星占术的观念，凡是和已知天文学规律不相符合的天文现象就叫做“变”，凡是变，就是上天的警告，就属于星占家的工作范畴。在这种观念支配下，人们就不可能发现旧规律的谬误和粗疏，更不可能会发现新的天文学规律。这是星占术阻碍天文学进步的关键所在。
然而，司马迁并不受这种观念的束缚。前面说到他发现五星逆行和留的规律，发现月食有周期性，等等，都是他冲破了星占术观念的束缚而得出来的。
一般来说，当发现和过去所认为的天文学规律不合的现象时并不盲目地把它归之于超自然的“上天警告”，而是在大量客观资料的启发下，意识到它是合乎自然规律的，从而努力寻找出新的天文学规律或对旧规律作出修正，这是古代天文学摆脱星占术的束缚而获得发展的一条比较普遍的道路。司马迁就是这条道路上的一个杰出典型。
① 《史记·天官书》。
② 金星离太阳的角距离最大只有48°。如果金星在子午线上时，太阳一定在地平线上很高了。这时，不是很亮的天体是无法看见的。
① 不过，《天官书》把孛星写成茀星。
① 《史记·天官书》。
② 《史记·天官书》。