Muzica l-a condus pe Herschel spre un interes pentru matematică și lentile. Interesul său pentru astronomie a devenit mai puternic după 1773 și a făcut cunoștință cu astronomul regal englez Nevil Maskelyne. A început să își construiască propriile telescoape reflectorizante și petrecea până la 16 ore pe zi șlefuind și lustruind oglinzile primare din metal.
Uranus
Atunci când a descoperit Uranus, Herschel nu căuta o planetă, ci făcea un studiu al stelelor; a fost o descoperire accidentală.
Aceasta a fost prima descoperire a unei noi planete din cele mai vechi timpuri. Primele cinci, Mercur, Venus, Marte, Jupiter și Saturn, sunt vizibile cu ochiul liber și sunt cunoscute încă de la începuturile istoriei. Uranus a fost prima descoperită prin telescop. De fapt, Uranus fusese văzut înainte de alți observatori cu telescoape, dar fusese marcat pe hărți ca stea fixă. Herschel a constatat că aceasta se mișca pe fundalul stelelor și, la început, a crezut că este o cometă. Măsurătorile sale au fost folosite de matematicianul francez Pierre Laplace, care i-a calculat orbita și a demonstrat că este o planetă.
Herschel a numit noua planetă "steaua georgiană" (Georgium sidus), după numele regelui George al III-lea, ceea ce i-a adus favoruri; totuși, numele nu a rămas. În Franța, unde referințele la regele britanic trebuiau evitate pe cât posibil, planeta a fost cunoscută sub numele de "Herschel" până când numele "Uranus" a fost adoptat în mod universal. În același an, Herschel a primit medalia Copley și a fost ales membru al Societății Regale. În 1782, a fost numit "Astronomul regelui". A primit o recompensă generoasă din partea regelui, care i-a permis să își întrerupă activitatea de muzician și să se dedice în totalitate astronomiei. Premiul a constat într-o pensie pe viață de 200 de lire sterline pe an pentru Herschel și de 50 de lire sterline pe an pentru Caroline. Lucrările la telescopul de 40 de picioare au fost, de asemenea, susținute de o subvenție din partea regelui. p6
Telescoapele lui Herschel
Pe parcursul carierei sale, a construit mai mult de patru sute de telescoape. A fost ajutat în acest demers de fratele său, Alexander, care, la fel ca și Caroline, și-a petrecut tot timpul lucrând ca asistent al lui Herschel.
Cel mai mare și cel mai faimos dintre telescoapele sale a fost un telescop reflector cu o oglindă principală cu diametrul de 1,2 m (48 de inch) și o distanță focală de 12 m (40 de picioare). Acesta a fost cel mai mare telescop din lume din 1789 până când a fost dezmembrat (demontat) 50 de ani mai târziu.p6 Oglinda a fost realizată dintr-un aliaj metalic dur de staniu și cupru, numit "speculum", pe care l-a șlefuit manual.
Pe 28 august 1789, prima sa noapte de observație cu acest instrument, a descoperit o nouă lună a lui Saturn. A urmat o a doua lună în prima lună de observație. Cu toate acestea, telescopul de 40 de picioare era incomod de utilizat, iar majoritatea observațiilor sale au fost făcute cu un reflector mai mic, de 18,5 inch (47 cm), cu o lungime focală de 20 de picioare (6,1 m).
Și-a continuat activitatea de fabricant de telescoape, vânzând multe dintre ele altor astronomi. Împreună cu pensia pe care o primea de la rege, banii l-au ajutat să se întrețină în munca sa și a celor doi frați ai săi.
Catalogul stelelor
Herschel obișnuia să lucreze cu sora sa, Caroline Herschel. Aceasta îi înregistra observațiile pe măsură ce le făcea. În 1783, i-a dăruit lui Caroline un telescop, iar aceasta a început să facă descoperiri astronomice pe cont propriu, în special comete.
Caroline a descoperit opt comete, trei nebuloase și, la sugestia fratelui ei, a actualizat și corectat lucrările lui Flamsteed privind poziția stelelor. Aceasta a fost publicată sub numele de Catalogul britanic al stelelor. A fost onorată de Societatea Astronomică Regală pentru această lucrare. Caroline a continuat, de asemenea, să fie asistenta lui.
Stele binare
Herschel a fost primul care a descoperit că unele stele duble aparente, aflate în vizibilitate directă, erau de fapt adevărate sisteme stelare binare, în care cele două stele se roteau una în jurul celeilalte. Aceasta a fost prima dovadă că legile gravitaționale ale lui Newton se aplică în afara sistemului solar. Herschel a descoperit 850 de stele binare și a întocmit primul catalog de stele binare. Fiul său, John Herschel, a descoperit mult mai multe și a extins catalogul.
Sistemul solar și Calea Lactee
Herschel a studiat schimbările de poziție a stelelor în raport cu sistemul solar. Schimbările au loc, și destul de rapid pentru unele stele din apropiere. De asemenea, întregul Sistem Solar se mișcă, iar acest lucru a fost descoperit de Herschel.
Studiind mișcarea proprie a stelelor, el a fost primul care și-a dat seama că sistemul solar se deplasează în spațiu. A calculat direcția aproximativă a acestei mișcări. De asemenea, a studiat structura Căii Lactee și a ajuns la concluzia că aceasta are forma unui disc. Aceasta a fost, de asemenea, o descoperire cu adevărat semnificativă.
Descoperirea radiației infraroșii
La 11 februarie 1800, Herschel testa filtrele pentru soare pentru a putea observa petele solare. Când a folosit un filtru roșu, a constatat că se producea multă căldură.
Herschel a descoperit radiația infraroșie făcând să treacă lumina solară printr-o prismă și ținând un termometru chiar dincolo de capătul roșu al spectrului vizibil. Acest termometru trebuia să fie un control pentru a măsura temperatura aerului ambiant din încăpere. El a fost șocat când acesta a arătat o temperatură mai mare decât cea din spectrul vizibil. Experimentele ulterioare au dus la concluzia lui Herschel că trebuie să existe o formă invizibilă de lumină dincolo de spectrul vizibil.
