元代建立起地跨欧亚的大帝国，使得东西方的文化交流变得畅通和活跃。作为中国天文学与西亚天文学交流、碰撞的代表人物，可举耶律楚材（1190—1244年）和丘处机（1148—1227年）两人。
耶律楚材出身于契丹贵族家庭，秉承家族传统，自幼学习汉籍，精通汉文，博及群书，旁通天文、地理、律历、术数及释老医卜之说。初仕金，后应召辅助成吉思汗。1219年随蒙古军远征西域。在撒马尔罕（今乌兹别克斯坦撒马尔罕州首府）与当地天文学家就两次月食发生争论。《元史·耶律楚材》载：“西域历人奏：五月望夜月当蚀，楚材曰：否。卒不蚀。明年十月，楚材言月当蚀，西域人曰不蚀，至期果蚀八分。”耶律楚材造《西征庚午元历》，首次处理了因地理经度差造成的时间差，这应是受到了具有球形大地观的西方天文学影响的结果。事实上，耶律楚材本人也通晓伊斯兰历法，元代学者陶宗仪在《南村辍耕录》中对此有所记述：“耶律文正工于星历、筮卜、杂算、内算、音律、儒释、异国之书无不通究。尝言西域历五星密于中国，乃作《麻答把历》，盖回鹘历名也。”
另一位足迹西至撒马尔罕的中土人士是中国道教史上非常著名的人物丘处机。他是奉召西去为成吉思汗讲授养生长寿秘诀的。丘处机于1221年到达撒马尔罕，与当地天文学家讨论了该年五月发生的日偏食。据丘处机的弟子李志常在《长春真人西游记》中的记载：“时有算历者在旁，师因问五月朔日食事。其人云：此中辰时食至六分止。师曰：前在陆局河时，午刻见其食既；又西南至金山，人言巳时食至七分。此三处所见各不同。按孔颖达《春秋疏》：‘月体映日则日食’。以今料之，盖当其下即见其食既，在旁者则千里渐殊耳。正如以扇翳灯，扇影所及，无复光明，其旁渐远，则灯光渐多矣。”这里丘处机留意到东西方向上不同地点对同一次日食所报告的食分大小和食甚发生的时辰都不相同，观测地点越在东面，报告的时辰越晚。丘处机用扇子遮蔽灯光的比喻来解释不同地点所见食分大小之不同，但没有解释食既时辰的早晚。后者正是耶律楚材认识到的地理经度差造成的地方时之差。
除了西去的中国人之外，西域天文学家也来到中国。元世祖忽必烈至元四年（1267年），一位据推测是来自马拉盖天文台[14]的波斯天文学家扎马鲁丁在元大都创制出7件西域天文观测仪器。《元史·天文志》记录了这7件天文仪器的大致结构和功能，现列出这7件仪器的名称如下：
1）咱秃哈剌吉，汉言混天仪也。
2）咱秃朔八台，汉言测验周天星曜之器也。
3）鲁哈麻亦渺凹只，汉言春秋分晷影堂。
4）鲁哈麻亦木思塔余，汉言冬夏至晷影堂也。
5）苦来亦撒麻，汉言浑天图也。
6）苦来亦阿兒子，汉言地理志也。
7）兀速都兒剌不，汉言定昼夜时刻之器。
这里第一种即浑仪，但究竟是赤道式浑仪还是黄道式浑仪，学者们还有争议。第二种是用来测量恒星的星位尺。第三和第四种分别用来测量春秋分和冬夏至的准确时刻。第五种即天球仪，中国古代叫做浑象。第六种即地球仪，这是首次向中国人演示球形大地的仪器。最后一种是在西方非常流行的星盘。这7件仪器后来下落不明，对它们的形质和用途也有很多方面有待进一步研究。
至元八年（1271年），忽必烈下令在上都（今内蒙古自治区锡林郭勒盟正蓝旗境内）建立回回司天台，任命札马鲁丁为提点（即天文台台长），职责是用西域仪器观测天象，编制回回历。这座专门从事伊斯兰天文学研究的天文台在伊斯兰天文学史上具有相当重要的地位，在马拉盖天文台和撒马尔罕天文台之间起到承前启后的作用。它也是13—14世纪中国研究阿拉伯天文学的中心，对中国天文学的发展起到了积极推动作用。
两年之后忽必烈下令把回回司天台和“汉儿司天台”统一归于秘书监的领导之下。根据元代王士点、商企翁撰写的《秘书监志》记载，上都天文台曾经收藏了一批伊斯兰天文、数学书籍，这份书目共列了13种图书：
1）《四擘算法段数》15部
2）《允解算法段目》3部
3）《诸般算法段目并仪式》17部
4）《造司天仪式》15部
5）《诀断诸般灾福》
6）《占卜法度》
7）《灾福正义》
8）《穷历法段数》7部
9）《诸般算法》8部
10）《积尺诸家历》48部
11）《星纂》4部
12）《造浑仪香漏》8部
13）《诸般法度纂要》12部
相信这些图书对后来郭守敬编制《授时历》起到了一定的参考作用。
蒙古人在中原的政权并不长久。明朝兴起之初，也仿照元朝制度，建立回回和汉人两套天文机构。据《明史·历志》记载：“洪武元年改（太史）院为司天监，又置回回司天监。诏徵元太史院使张佑、回回司天太监黑的儿等共十四人，寻召回回司天台官郑阿里等十一人至京，议历法。三年改监为钦天，设四科：曰天文，曰漏刻，曰《大统历》，曰《回回历》……十五年（1382年）九月，诏翰林李翀、吴伯宗译《回回历书》。”《回回历书》是一部伊斯兰数理天文学著作，后来（1475年左右）贝琳据此整理成《七政推步》，成为中国古代系统介绍伊斯兰天文学的一部重要著作。洪武年间译成的伊斯兰天文书籍还有《明译天文书》，该书明洪武刊本题阿拉伯阔识牙耳撰、明西域默狄纳国王马哈麻（今译默罕默德）等译。此书又称《天文宝书》、《乾方秘书》、《天文象宗西占》等名，是一本伊斯兰星占学著作。
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