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히파르코스는 세차운동, 즉 황도와 천구적도(지구적도를 확장했을 때 천구에 생기는 거대한 원)의 교차점이 움직이기 때문에 측정한 별의 위치가 변하는 현상을 발견하고 〈세차운동〉이라는 제목의 책을 쓴 것 같다(→ 분점세차). 이 현상을 '세차'(precession)라는 말로 나타냈는데 이 용어는 현재까지도 쓰이고 있다.

이 놀라운 발견은 날카로운 관찰력과 고된 관측작업의 결과였다. 히파르코스는 별의 위치를 관측한 뒤 그 결과를 150년 전의 알렉산드리아의 티모카리스의 관측결과와 비교했고, 그 이전의 바빌로니아 시대에 관측된 것과도 비교했다. 그는 같은 천체의 지름이 서로 다르며, 그 차이가 관측오차 때문에 생기는 것보다 더 크다는 것을 발견했다. 그리하여 그는 이 차이를 설명하기 위해 1년에 45~46″씩 움직이는 세차운동을 주장했다. 이것은 현재 받아들여지는 50.26″이라는 값에 매우 근접한 것이고 프톨레마이오스가 얻은 36″보다 훨씬 정확한 것이다.

세차운동의 발견으로 히파르코스는 태양년(태양의 위치가 한 분점에서 같은 분점으로 되돌아오는 데 걸리는 시간)과 항성년(태양의 위치가 한 별에서 같은 별로 되돌아오는 데 걸리는 시간)을 더욱 정확하게 구할 수 있었다. 또한 그가 구한 태양년은 매우 정확해서 단지 6½의 오차가 있었다(→ 항성주기).

고대에 흔히 그랬던 것처럼 별의 위치를 적경과 적위에 따라서 관측한 히파르코스는 그 자료를 목록으로 만들었다. 이것은 최초로 완성된 별의 목록이었다(→ 항성목록). 그는 이전의 어떤 관측자보다도 정확하게 별의 위치를 측정했기 때문에, 프톨레마이오스와 심지어는 에드먼드 핼리도 그의 자료를 사용했다. 몇몇 히파르코스의 동시대인들은 별목록을 작성하는 것을 불경한 것으로 생각했으나 그는 견디어냈다. BC 134년 그는 '새로운 별'을 관측하자 더욱 자극받았다.

그는 이와 같은 현상이 별의 수가 결국 변한다는 것을 의미한다고 결론을 내리고 별목록을 작성하기로 결심했으며, 어떠한 비난도 그의 원래의 목적을 변하게 하지 못했다. BC 129년에 완성된 히파르코스의 목록은 약 850개의 별(흔히 언급되는 1,080개가 아님)이 수록되어 있으며, 별의 겉보기 등급을 오늘날에 쓰이는 것과 비슷한 6등급 체계로 분류했다. 그당시로서 이 목록은 기념비적인 업적이었다.