Gottfried Kirch a donné à sa femme un enseignement complémentaire en astronomie, comme il l’a fait pour sa sœur et de nombreux autres étudiants. Les femmes n’étaient pas autorisées à fréquenter les universités en Allemagne, mais les travaux d’astronomie et l’observation des cieux, se déroulaient en grande partie en dehors des universités. Ainsi, Kirch est devenue l’une des rares femmes actives en astronomie dans les années 1700. Elle est devenue très connue sous le nom de Kirchin, la version féminine du nom de famille. Dans le Saint Empire romain germanique, il n’était pas rare qu’une femme soit active en astronomie. Maria Cunitz, Elisabeth Hevelius et Maria Clara Eimmart avaient été des astronomes actives au XVIIe siècle.
Par un édit, Frédéric III a introduit un monopole pour les calendriers dans le Brandebourg, et plus tard en Prusse, en imposant une taxe sur les calendriers. Les revenus de ce monopole devaient servir à rémunérer les astronomes et les membres de l’Académie des sciences de Berlin que Frédéric III avait fondée en juillet 1700. Frédéric III fait également construire un observatoire qui est inauguré en janvier 1711. Assisté par sa femme, Gottfried Kirch prépara le premier calendrier d’une série, intitulé Chur-Brandenburgischer Verbesserter Calender Auff das Jahr Christi 1701, qui devint très populaire.
Maria et Gottfried travaillèrent en équipe. Dans la mode typique de la guilde, elle a progressé de sa position d’apprentie d’Arnold, pour devenir l’assistante de son mari. Son mari avait étudié l’astronomie à l’université d’Iéna et avait été l’apprenti de Johannes Hevelius. À l’académie, elle travaillait comme son assistante officieuse, mais reconnue. La position des femmes dans les sciences était semblable à celle qu’elles occupaient dans les guildes, appréciée mais subordonnée. Ensemble, elles faisaient des observations et effectuaient des calculs pour produire des calendriers et des éphémérides.
À partir de 1697, les Kirchs ont également commencé à enregistrer les informations météorologiques. Leurs données étaient utilisées pour produire des calendriers et des almanachs et elles étaient également très utiles pour la navigation. L’Académie des sciences de Berlin s’occupait de la vente de leurs calendriers.
Pendant la première décennie de son travail à l’académie en tant qu’assistante de son mari, Kirch observait les cieux, chaque soir à partir de 21 h. Au cours d’une telle observation de routine, elle découvrit une comète. Le 21 avril 1702, Kirch découvrit la comète dite « de 1702 » (C/1702 H1). Aujourd’hui, il n’y a aucun doute sur la priorité de Kirch dans la découverte de C/1702 H1. Dans ses notes de cette nuit-là, son mari a enregistré :
« Tôt le matin (vers 2 heures), le ciel était clair et étoilé. Quelques nuits auparavant, j’avais observé une étoile variable et ma femme (alors que je dormais) a voulu la trouver et la voir par elle-même. Ce faisant, elle a trouvé une comète dans le ciel. À ce moment-là, elle m’a réveillé, et j’ai constaté qu’il s’agissait bien d’une comète… J’étais surpris de ne pas l’avoir vue la nuit précédente ».
La seule revue scientifique allemande de l’époque, Acta Eruditorum, était en latin. Les publications ultérieures de Kirch en son propre nom étaient toutes en allemand. À l’époque, son mari n’occupait pas de chaire indépendante à l’académie et les Kirch travaillaient en équipe sur des problèmes communs. Le couple observait les cieux ensemble : il observait le nord et elle le sud, faisant des observations qu’une seule personne n’aurait pas pu mener avec précision.
Kirch a continué à poursuivre ses travaux d’astronomie, publiant en allemand sous son propre nom, et avec la reconnaissance appropriée. Ses publications, qui comprennent ses observations sur les aurores boréales (1707), le pamphlet Von der Conjunction der Sonne des Saturni und der Venus sur la conjonction du soleil avec Saturne et Vénus (1709), et l’approche de la conjonction de Jupiter et Saturne en 1712 sont devenues ses contributions durables à l’astronomie. Avant Kirch, la seule femme astronome du Saint Empire romain germanique à avoir publié sous son propre nom était Maria Cunitz. L’ami de la famille et vice-président de l’Académie des sciences de Berlin, Alphonse des Vignoles, a déclaré dans l’éloge funèbre de Kirch : « Si l’on considère les réputations de Frau Kirch et de Frau Cunitz, on doit admettre qu’il n’y a aucune branche de la science… dans laquelle les femmes ne sont pas capables d’accomplissement, et qu’en astronomie, en particulier, l’Allemagne remporte la palme au-dessus de tous les autres États d’Europe. »
En 1709, le président de l’Académie des sciences de Berlin, Gottfried von Leibniz, la présente à la cour de Prusse, où Kirch explique ses observations de taches solaires. Il a dit d’elle :
« Il existe une femme très savante qui pourrait passer pour une rareté. Son accomplissement n’est pas dans la littérature ou la rhétorique mais dans les doctrines les plus profondes de l’astronomie…. Je ne crois pas que cette femme trouve facilement son égal dans la science où elle excelle… Elle est partisane du système copernicien (l’idée que le soleil est au repos) comme tous les savants astronomes de notre temps. Et c’est un plaisir de l’entendre défendre ce système à travers les Saintes Ecritures qu’elle maîtrise également très bien. Elle observe avec les meilleurs observateurs et sait manier à merveille le quadrant et le télescope ».
Après la mort de son mari en 1710, Kirch tente de prendre sa place d’astronome et de fabricant de calendrier à l’Académie royale des sciences. Bien que sa pétition ait été soutenue par Leibniz, le président de l’académie, le conseil exécutif de l’académie a rejeté sa demande de poste officiel en disant que « ce que nous lui concédons pourrait servir d’exemple à l’avenir », c’est-à-dire qu’ils ne souhaitaient pas créer un précédent en nommant une femme. Dans sa pétition, Mme Kirch expose ses qualifications pour le poste. Elle formule sa demande dans des termes acceptables pour l’époque, arguant qu’elle est bien qualifiée parce qu’elle a été instruite par son mari dans le calcul et l’observation astronomiques. Elle a souligné qu’elle s’était engagée dans des travaux d’astronomie depuis son mariage et qu’elle avait travaillé à l’académie depuis la nomination de son mari dix ans auparavant. Dans sa pétition, Kirch déclare que « pendant un certain temps, alors que mon cher mari décédé était faible et malade, j’ai préparé le calendrier à partir de ses calculs et l’ai publié sous son nom ». Pour Mme Kirch, une nomination à l’académie n’aurait pas été une simple marque d’honneur, mais aurait été vitale pour assurer un revenu à elle et à ses enfants. Dans sa pétition, elle déclare que son mari ne lui a pas laissé de moyens de subsistance. Dans l’ancienne tradition des guildes de métiers, il aurait été possible pour Kirch de reprendre le poste de son mari après sa mort, mais les nouvelles institutions scientifiques avaient tendance à ne pas suivre cette tradition.
Bien que Kirch ait effectué un travail important à l’académie, elle n’avait pas de diplôme universitaire, ce que presque tous les membres de l’académie avaient à l’époque. Plus précisément, son sexe a joué contre sa nomination. Le secrétaire de l’Académie des sciences de Berlin, Johann Theodor Jablonski, a averti Leibniz que « le fait qu’elle soit maintenue dans une fonction officielle pour travailler sur le calendrier ou pour poursuivre des observations n’est tout simplement pas acceptable ». Déjà du vivant de son mari, l’académie était accablée de ridicule parce que son calendrier était préparé par une femme. Si elle devait maintenant être maintenue dans cette fonction, les bouches seraient encore plus grandes ». Leibniz fut le seul membre du conseil de l’académie à soutenir sa nomination et à tenter de lui obtenir une aide financière.
Kirch estimait que ses requêtes avaient été refusées en raison de son sexe. Ceci est quelque peu soutenu par le fait que Johann Heinrich Hoffmann, qui avait peu d’expérience, a été nommé à la place de son mari à sa place. Hoffmann a rapidement pris du retard dans son travail et n’a pas fait les observations requises. Il a même été suggéré que Kirch devienne son assistant. Kirch écrivit : « Maintenant, je traverse un désert sévère, et parce que… l’eau est rare… le goût est amer ». Cependant, dans un exploit exceptionnel pour l’époque, elle est admise par l’Académie des sciences de Berlin.
En 1711, elle publie Die Vorbereitung zug grossen Opposition, un pamphlet bien accueilli dans lequel elle prédit une nouvelle comète, suivi d’un pamphlet concernant Jupiter et Saturne. En 1712, Kirch accepte le patronage de Bernhard Friedrich von Krosigk, qui est un astronome amateur enthousiaste, et commence à travailler dans son observatoire. Elle et son mari avaient travaillé à l’observatoire de Krosigk pendant la construction de l’observatoire de l’académie. À l’observatoire de Krosigk, elle a atteint le rang de maître astronome.
Après la mort du baron von Krosigk en 1714, Kirch s’est déplacée à Danzig pour assister un professeur de mathématiques pendant une courte période avant de revenir. En 1716, Kirch et son fils, qui venait de terminer l’université, ont reçu une offre pour travailler comme astronomes pour le tsar russe Pierre le Grand, mais elle a préféré rester à Berlin où elle a continué à calculer des calendriers pour des localités telles que Nuremberg, Dresde, Breslau et la Hongrie.
Elle a formé son fils Christfried Kirch et ses filles Christine Kirch et Margaretha Kirch pour agir comme ses assistants dans le travail astronomique de la famille, continuant la production de calendriers et d’almanachs ainsi que la réalisation d’observations. En 1716, son fils Christfried et Johann Wilhelm Wagner sont nommés observateurs à l’observatoire de l’académie après la mort d’Hoffmann. Kirch retourne à Berlin pour y être l’assistante de son fils et de sa fille Christine. Elle travaille à nouveau à l’observatoire de l’académie en calculant des calendriers. Les membres masculins de l’académie se plaignent qu’elle joue un rôle trop important et qu’elle est « trop visible à l’observatoire lors des visites d’étrangers ». Kirch a reçu l’ordre de « se retirer à l’arrière-plan et de laisser la parole à… son fils ». Kirch a refusé d’obtempérer et a été contraint par l’académie de céder sa maison sur le terrain de l’observatoire.
Kirch a continué à travailler en privé. Kirch meurt d’une fièvre à Berlin le 29 décembre 1720.
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