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태양이 우리은하 중심에서 약 3만 광년 떨어진 곳의 은하를 가로지르는 면 근처에 있음을 계산했다.

헨리 N. 러셀의 결과를 바탕으로 그는 1911년 많은 쌍성계에서 두 별이 서로를 가릴 때의 광도변화를 측정해 별의 크기를 구하기 시작했다. 이 방법은 30년 이상 표준으로 사용되었다. 또한 세페이드 변광성은 서로를 가리는 쌍성이 아님을 증명했으며, 이들이 맥동성(脈動星)이라는 것을 처음으로 제기했다.

1914년 캘리포니아 패서디나의 윌슨 산 천문대의 직원이 되었다. 이곳의 152.4㎝(60인치) 반사망원경으로 우리은하에 있는 구상성단의 분포에 대해 연구했다. 이 성단은 수많은 별들이 밀집해 있는 무리로서, 어떤 것은 별이 10⁶개나 있다. 그당시까지 알려진 100개의 구상성단 가운데 1/3은 궁수자리 안에 있다는 것을 발견했다.

변광성의 변화주기와 겉보기밝기로 변광성까지의 거리를 정확하게 알 수 있다는 새로 발견된 사실을 이용하여, 구상성단들이 궁수자리에 중심을 두고 구에 가까운 형태로 분포하고 있다는 것을 발견했다. 이 성단들이 구형으로 배열되어 있으므로, 이들이 우리은하의 중심부를 형성한다는 결론은 매우 논리적이었다. 이 결론과 자신의 다른 거리자료로 태양이 우리은하 중심에서 5만 광년 거리에 있다는 것을 유도했다. 이 값은 나중에 3만 광년으로 보정되었다. 섀플리 이전에는 태양이 우리은하 중심 근처에 있다고 믿었다. 따라서 처음으로 우리은하의 실제 크기를 계산한 그의 연구는 은하천문학의 이정표라 할 수 있다.

그밖에 다른 은하, 특히 마젤란 운에 대해서도 연구하여, 은하들이 은하우주라고 하는 은하단으로 발생하는 경향이 있음을 발견했다. 하버드대학교의 천문학교수, 나중에는 하버드 천문대 대장(1921~25)으로 있었다. 1952년 하버드의 명예대장과 페인좌(座) 천문학교수가 되었다. 저서로는 〈성단 Star Clusters〉(1930)·〈혼돈으로부터의 이탈 Flights from Chaos〉(1930)·〈은하 Galaxies〉(1943)·〈은하우주의 내부 The Inner Metagalaxy〉(1957)·〈별과 인간의…… Of Stars and Men……〉(1958) 등이 있다.