Вяткин решил провести здесь раскопки. Русский комитет для изучения Средней и Восточной Азии по настоянию крупнейшего востоковеда В. В. Бартольда отпустил для этого восемьсот рублей.
Раскопки начались в 1908 году. От краев верхушки холма к центру стали копать траншеи. И сразу же наткнулись на фундамент из каменных глыб, скрепленных цементом. Потом обнаружили лестницу, уходившую куда-то под землю. Она была завалена камнями. Когда их разобрали, глазам археологов открылась глубокая узкая галерея, прорубленная в толще скалы. Это были остатки чудом уцелевшего изумительного главного инструмента обсерватории. Их спасло лишь то, что они прятались под землей.
Раскопки продолжались два года. Расчистив поверхность холма, Вяткин пытался вообразить облик разрушенных зданий. Ему казалось, что их тут стояло несколько. Обнаружив в одном месте фундамент в виде четырехугольника, он принял его за остатки минарета.
Удалось найти следы круглой стенки. По мнению Вяткина, она служила так называемым «горизонтальным кругом», которым обычно пользовались в те времена для определения азимутов небесных светил. Это мнение разделяли с ним долгое время многие другие исследователи, хотя ошибочность его была очевидна. Из исторических источников астрономы знали, что в XII веке в Египте был сделан из бронзы подобный круг диаметром в пять метров и пользоваться им оказалось невозможным: он из-за собственной тяжести давал такие прогибы, что ошибка при наблюдениях составляла несколько градусов. А диаметр круглой стены, остатки которой раскопал Вяткин, достигал почти сорока восьми метров! Не мог же Улугбек с таким инструментом добиваться столь поразительной точности наблюдений.
Но заблуждение оказалось живучим и сбивало с толку многих до недавнего времени, пока, наконец, не удалось разобраться в назначении загадочного круга: он просто-напросто был остатками стены самого здания обсерватории.
Были также найдены медные монеты, совершенно окислившиеся и потемневшие за долгое пребывание в земле; черепки белой посуды явно времен Тимура и странные плоские мраморные плиты с желобками и буквами. Буквами на них были обозначены цифры «6» и «9». Озадачили Вяткина загадочные чаши, черепки которых во множестве попадались при раскопках. Чаши все были, видимо, одинаковые, - грубой работы, довольно крупные, с зеленой обливкой внутри. Как ни гадал археолог, назначение их оставалось для него непонятным.
Так уже в самом начале исследования остатков обсерватории ученые столкнулись со многими загадками и темными местами. Здание было так варварски разрушено, буквально стерто с лица земли, что восстановить его планировку оказалось не так-то просто. Кое-что остается непонятным и до сих пор.
Особенно много споров и заблуждений вызвал главный инструмент обсерватории. По одной сохранившейся под землей его части не легко представить себе все сооружение в целом. Вяткин принял его за громадный квадрант - прибор для наблюдения за звездами. Его мнение поддержали почти все исследователи, и только недавно выяснилось, что оно ошибочно.
Находка Вяткина вызвала огромный интерес. Но дальнейших раскопок произвести не удалось: не хватило для этого средств. Даже на памятник Улугбеку, который решили воздвигнуть по предложению Русского астрономического общества, пришлось собирать деньги по подписке среди «доброхотных жертвователей».
Памятник тогда так и не был построен. Собранные для него деньги затратили на то, чтобы расчистить круглую площадку на вершине холма, и в 1915 году установили над остатками главного прибора сводчатый кирпичный футляр, чтобы предохранить его от дальнейшего разрушения.
Между тем устройство обсерватории оставалось совершенно неясным. Выдвигались самые различные гипотезы, одна фантастичнее другой. Один из исследователей так представлял себе общий вид обсерватории:
«Над холмом... видны два минарета, наклоненные внутрь. От северного минарета спускается мраморная дуга в четверть круга радиуса в 19 сажен, нижняя часть которой исчезает в выемке - прорези холма... Минареты находятся в южной и северной части стены диаметра около 20 сажен, с семью башнями на ней для второстепенных наблюдений...»
На вопрос, откуда ему все так хорошо известно, автор этой гипотезы отвечал:
- Остатки стены найдены, а о семи башнях есть предание.
Другие пытались разгадать назначение странных чаш, найденных при раскопках. По их мнению, они служили уровнями при установке частей инструмента в горизонтальной плоскости. Для этого в чаши наливали воду или даже ртуть. Забегая вперед, скажем, что при более тщательном рассмотрении загадочные чаши оказались... самыми обыкновенными бадейками, в которых местные мастера-строители чуть ли и не по сию пору разводят цементный раствор.