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La observación de los satélites de Júpiter y de pequeñas manchas en la superficie del planeta le llevó a la conclusión de que se trataba de la sombra de los satélites sobre el planeta. Cassini publicó las tablas de las posiciones de estos satélites y sus eclipses en su libro "Ephemerides Bononienses Medicaerum Siderum" (1668). Además, fue el primero en describir la Gran Mancha Roja. Los cálculos de Cassini fueron utilizados por Ole Romer, un astrónomo danés que calculó el valor de la velocidad de la luz.

Todos estos descubrimientos le dieron gran fama internacional siendo invitado por el rey Luis XIV a formar parte de la Academia de Ciencias de París, allí criticó el proyecto de construcción del Observatorio de Paris, cuyo arquitecto era Perrault. En 1671 se convirtió en Director de dicho observatorio