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深読みするならこうです、という説明をします。
まずその分のas〜の節は、「〜のを」と訳されていますがおっしゃる通り目的語ではなくて副詞節になりますね。
そのasは「時」を表すのですが、whenよりもasは「同時性」が強くて、
主節の動作they watched in 〜と同時にas it moved〜が起こっていたということを表しています。
「目的語がないのに」というのはその通りなのですが、
そもそもwatchという動作にその対象がない、ということはあり得ませんよね。
「見る」なんだから何かを見てるわけです。
しかしこの文では、それが「目的語」という形では書かれていない。
こういうことは英語ではたまにあることです。
実際辞書でも自動詞watchの用法が載っています。
（しかも同じas節の例文付きで）
一方日本語ではこういう
「本来的に他動詞っぽいのに、目的語がなくて自動詞として使われている」という用法がないので、
「〜を」と書くしかないんですね。
本来的に他動詞っぽいから、他動詞っぽく書けばスムーズな日本語になるということです。
なぜ英語にこういう用法があるかというと
他動性という考え方があって、それが少し参考になると思います。
https://spice-of-englishgrammar.com/transitivity/
簡単にいうと
自動詞+前置詞+名詞よりも
他動詞+名詞の方が他動性が高い
元々の動詞の持つ意味にもよって大きく違うので、
同じ動詞を使うなら、という前提がありますが
文の形によって、意味やニュアンスが規定される面があるんです。
例えば
He kicked at his brother
He kicked his brother
だと、
前者は、兄弟に向かって蹴りを入れたことはわかる
後者は、それが兄弟にあたったということまで含んでいる
という感じです。
他動詞というのは、「主語が何か動作をして、それが目的語に対して"作用"している」ということを表すので、
自動詞＋前置詞で書くか他動詞で書くかによって、こういう違いが出てくるんですね。
今回のwatchも同じようなことが言えると思います。
他動詞で書くと、その目的語の名詞をちゃんと見て、それが何かをしっかり把握した、ということになると思うのですが
自動詞で書くと、その動作の対象を見たは見たんだけど、一時的な視覚情報であって、きっちりと認識できたということにはならない。
今回の文でも「in fascinated horror 恐怖と好奇心の入り混じった気持ちで」と言っていて、安定した精神状態でないことがわかります。
とはいえ
watchはそもそも「じっと見る」という意味だから、
じっとは見てるんでしょうけど、それが何なのかは認識できていない、という感じなのかなと
質問者さんが学校とか塾とかで、こういう解説はされないだろうけど、読み取るならこんな感じに読めます。
