בשנת 1849, רות'פרד ויתר על לימודיו במשפטים כדי להקדיש את פנאי למדע, במיוחד לאסטרונומיה. הוא ביצע עבודה חלוצית בניתוח ספקטרלי, וניסוי עם צילום שמימי. הוא המציא מכשירים ללימודיו, כולל המיקרומטר למדידת צילומים, מכונה לייצור גרדיות דיפרקציות משופרות משופרות משופרות משופרות, ואת הטלסקופ הראשון שתוכנן במיוחד עבור אסטרופוטוגרפיה. תוך שימוש במכשירים שלו, רות'פרד ייצר אוסף איכותי של צילומים של השמש, הירח והכוכבים, כמו גם קבוצות כוכבים וכוכבים עד לגודל החמישי. בשנת 1862, הוא החל לבצע מחקרים ספקטרוסקופיים באמצעות גרדיות הדיפרקציה החדשות שלו. הוא שם לב לשיעורים נפרדים של כוכבים ספקטרליים, שאנג'לו סקלינקי הרחיב באוקטובר 1867 לרשימה של ארבעה שיעורים כוכביים. עם זאת, רות'
צילום שמימי