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20세기 천문학의 발전에서 이론·관측 분야 모두에 매우 중요한 공헌을 했다.

16세에 천체궤도의 이론에 관한 논문을 발표하여 과학분야에서 뛰어난 능력을 나타냈다.

1901년 괴팅겐대학교의 교수 및 천문대 대장이 되었으며, 8년 뒤에는 포츠담의 천체물리 천문대 대장으로 임명되었다. 괴팅겐에 있는 동안 사진측광학(寫眞測光學)에 정밀한 방법을 도입했다. 그의 연구결과는 별의 분광형과 색의 관계를 명확하게 보여주었다. 그는 쌍성(雙星)의 분리각을 측정하는 과정에서 거친격자(예를 들면 평행선들을 서로 가깝게 식각한 유리판)를 처음 사용했다. 이 기법은 별의 등급(等級)과 색을 측정할 때 널리 사용되고 있다. 또한 일식(日蝕) 때 얻어진 태양 스펙트럼을 분석하기 위한 기본적인 방법을 개발했다. 그는 복사평형(輻射平衡)의 원리를 발표했으며, 항성대기의 열전달에서 복사과정의 역할을 처음으로 명확하게 이해한 사람이었다. 별의 운동에 대한 그의 가설은 현대 통계적 방법에 대한 자신의 기본적인 연구에서 나온 천문학의 중요한 결과들 가운데 하나이다. 또한 작은 입자에 가해지는 복사압에 대한 이론도 연구했다.

그는 이론물리학과 상대성이론에 중요한 공헌을 했으며, 닐스 보어가 제안한 원자 스펙트럼 이론을 발전시킨 위대한 선구자들 중 하나였다. 아르놀트 조머펠트와는 무관하게 독자적으로 양자화의 일반 규칙을 발전시켜 슈타르크 효과(빛에 대한 전기장효과)에 대한 이론을 완성시켰으며, 분자 스펙트럼에 대한 양자론을 창시했다.

그는 한 질점 주위의 공간을 기하학적으로 묘사할 수 있는 아인슈타인의 일반중력방정식의 완전해를 처음으로 구했다. 또한 검은구멍(black hole) 이론에 대한 기초를 세웠는데, 일반 방정식을 사용해 질량이 큰 천체는 빛의 속도보다 큰 탈출속도(脫出速度)를 가질 수 있기 때문에 직접 관측할 수 없다고 설명했다. 제1차 세계대전 동안 독일 군대에서 복무할 때 불치의 병을 얻어 죽었다.