Durante uma maior aproximação, de Marte, em 1877, Hall foi encorajado por Angeline Stickney, sua esposa, a procurar as luas marcianas. Seus cálculos mostraram que a órbita deve ser muito próxima ao planeta. Hall escreveu: "A chance de encontrar um satélite parecia muito pequena, de modo que eu poderia ter abandonado a busca se não fosse pelo encorajamento de minha esposa".[2]
"Repeti o exame na parte inicial da noite de 11 [de agosto de 1877], e novamente não encontrei nada, mas tentando novamente algumas horas depois, encontrei um objeto tênue no lado seguinte e um pouco ao norte do planeta. hora de garantir uma observação da sua posição quando o nevoeiro do Rio interrompeu os trabalhos, isto foi às duas e meia da noite do dia 11. O tempo nublado interveio durante vários dias.
"Em 15 de agosto o tempo parecia mais promissor, dormi no Observatório. O céu clareou com uma tempestade às 11 horas e a busca foi retomada. A atmosfera, entretanto, estava em muito mau estado e Marte estava tão escaldante e instável que nada podia ser visto do objeto, que agora sabemos que estava naquela época tão perto do planeta que era invisível.“Em 16 de agosto o objeto foi encontrado novamente no lado seguinte do planeta, e as observações daquela noite mostraram que ele estava se movendo com o planeta, e se um satélite, estava perto de um de seus alongamentos. Até este momento eu havia dito nada a ninguém no Observatório da minha busca por um satélite de Marte, mas ao deixar o observatório após as observações do dia 16, por volta das três da manhã, contei ao meu assistente, George Anderson, a quem havia mostrado o objeto, que pensei ter descoberto um satélite de Marte. Disse-lhe também para ficar quieto, pois não queria que nada fosse dito até que o assunto estivesse fora de dúvida. Ele não disse nada, mas a coisa era boa demais para guardar e eu deixei eu mesmo. Em 17 de agosto, entre uma e duas horas, enquanto eu reduzia minhas observações,O Professor Newcomb entrou em meu quarto para almoçar e eu mostrei a ele minhas medidas do objeto fraco perto de Marte, o que provou que ele estava se movendo com o planeta."Em 17 de agosto, enquanto esperava e observava a lua externa, a interna foi descoberta. As observações dos dias 17 e 18 colocaram fora de dúvida o caráter desses objetos e a descoberta foi anunciada publicamente pelo almirante Rodgers."
Hall se aposentou da Marinha em 1891. Ele se tornou professor de mecânica celeste naUniversidade de Harvard em 1896 e continuou a lecionar lá até 1901.
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