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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。
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。
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）
15 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