Latem 1872 roku kierował ekspedycją naukową U.S. Coast Survey do Sherman w stanie Wyoming (na wysokość ok. 8300 stóp n.p.m.). Zidentyfikował tam kolejne 170 linii chromosferycznych oraz zaobserwował regularne odwrócenie linii wapnia H i K na tarczy Słońca. W 1872 roku został członkiem National Academy of Sciences i Amerykańskiego Towarzystwa Filozoficznego. Brał udział w ekspedycjach naukowych, m.in. obserwując przejście Wenus w Pekinie (1874) pod kierownictwem J. C. Watsona.
Latem 1876 roku za pomocą siatki dyfrakcyjnej zastosował zjawisko Dopplera do zbadania rotacji Słońca, wykonując pierwsze dokładne pomiary ilościowe prędkości tego ruchu.
Praca na Uniwersytecie w Princeton Latem 1877 roku przyjął posadę profesora astronomii na Uniwersytecie w Princeton, co zapewniło mu dostęp do nowoczesnego wyposażenia i zredukowało obciążenie dydaktyczne. W 1878 roku kierował uczelnianą ekspedycją do Denver na obserwację zaćmienia Słońca, a rok później przeprowadził serię mikrometrycznych pomiarów średnic polarnych i równikowych Marsa z użyciem teleskopu o średnicy 9,5 cala.