A música de Herschel o levou a um interesse pela matemática e pelas lentes. Seu interesse pela astronomia se intensificou depois de 1773 e ele conheceu o astrônomo inglês Royal Nevil Maskelyne. Ele começou a construir seus próprios telescópios refletivos e passava até 16 horas por dia retificando e polindo os espelhos primários de metal.
Urano
Quando ele descobriu Urano, Herschel não estava procurando um planeta, mas fazendo um levantamento de estrelas; foi uma descoberta acidental.
Foi a primeira descoberta de um novo planeta desde os tempos antigos. Os cinco primeiros, Mercúrio, Vênus, Marte, Júpiter e Saturno, são visíveis a olho nu, e são conhecidos desde o início da história. Urano foi o primeiro descoberto por telescópio. Na verdade, Urano já havia sido visto antes por outros observadores com telescópios, mas havia sido marcado nas cartas como uma estrela fixa. Herschel encontrou-o movido contra o fundo das estrelas, e a princípio pensou que era um cometa. Suas medidas foram usadas pelo matemático francês Pierre Laplace, que trabalhou sua órbita, e provou que era um planeta.
Herschel chamou o novo planeta de "estrela georgiana" (Georgium sidus) depois do Rei Jorge III, o que lhe trouxe favor; o nome, porém, não colou. Na França, onde a referência ao rei britânico deveria ser evitada se possível, o planeta era conhecido como 'Herschel' até que o nome 'Urano' fosse universalmente adotado. No mesmo ano, Herschel foi agraciado com a Medalha Copley e eleito membro da Sociedade Real. Em 1782, ele foi nomeado "O Astrônomo do Rei". Ele recebeu um prêmio generoso do rei, o que lhe permitiu parar de trabalhar como músico e dedicar todo o seu tempo à astronomia. O prêmio era uma pensão vitalícia para Herschel de £200 por ano, e £50 por ano para Caroline. O trabalho no telescópio de 40 pés também foi apoiado por uma doação do rei. p6
Os telescópios do Herschel
No decorrer de sua carreira, ele construiu mais de quatrocentos telescópios. Ele foi ajudado nisso por seu irmão Alexander que, como Caroline, passou todo o seu tempo trabalhando como assistente do Herschel.
O maior e mais famoso de seus telescópios era um telescópio refletor com um espelho principal de 48 polegadas (1,2 m) de diâmetro e uma distância focal de 12 metros (40 pés). Este foi o maior telescópio do mundo desde 1789 até ser desmontado (desmontado) 50 anos depois. p6 O espelho foi feito de uma liga metálica dura de estanho e cobre, chamada "espéculo", que ele poliu à mão.
Em 28 de agosto de 1789, sua primeira noite de observação utilizando este instrumento, ele descobriu uma nova lua de Saturno. Uma segunda lua se seguiu no primeiro mês de observação. No entanto, o telescópio de 40 pés foi de difícil utilização, e a maioria de suas observações foi feita com um refletor menor de 18,5 polegadas (47 cm) de 20 pés (6,1 m) de comprimento de focalização.
Ele continuou seu trabalho como fabricante de telescópio, vendendo muitos deles a outros astrônomos. Junto com sua pensão do rei, o dinheiro ajudou a sustentá-lo e a seus dois irmãos em seu trabalho.
Catálogo de estrelas
Herschel costumava trabalhar com sua irmã Caroline Herschel. Ela registrava suas observações à medida que ele as fazia. Em 1783 ele deu a Caroline um telescópio, e ela começou a fazer descobertas astronômicas por direito próprio, particularmente cometas.
Caroline descobriu oito cometas, três nebulosas e, por sugestão de seu irmão, atualizou e corrigiu o trabalho de Flamsteed sobre a posição das estrelas. Isto foi publicado como o Catálogo Britânico de Estrelas. Ela foi homenageada pela Royal Astronomical Society por este trabalho. Caroline também continuou a servir como sua assistente.
Estrelas binárias
Herschel foi o primeiro a descobrir que algumas estrelas duplas aparentes na linha de visão eram na verdade verdadeiros sistemas estelares binários onde as duas estrelas giravam em torno uma da outra. Esta foi a primeira evidência de que as leis da gravitação de Newton se aplicam fora do Sistema Solar. Herschel descobriu 850 estrelas binárias, e elaborou o primeiro catálogo de estrelas binárias. Seu filho John Herschel descobriu muitas mais, e ampliou o catálogo.
Sistema Solar e Via Láctea
Herschel estudou as mudanças na posição estelar em relação ao Sistema Solar. As mudanças ocorrem, e muito rapidamente para algumas estrelas próximas. Além disso, todo o Sistema Solar se move, e isto foi descoberto pelo Herschel.
Ao estudar o movimento adequado das estrelas, ele foi o primeiro a perceber que o sistema solar está se movendo através do espaço. Ele trabalhou a direção aproximada desse movimento. Ele também estudou a estrutura da Via Láctea e concluiu que ela tinha a forma de um disco. Esta foi também uma descoberta realmente significativa.
Descoberta da radiação infravermelha
Em 11 de fevereiro de 1800, Herschel estava testando filtros para o sol para que pudesse observar manchas solares. Ao utilizar um filtro vermelho, ele descobriu que havia muito calor produzido.
Herschel descobriu a radiação infravermelha ao passar a luz solar através de um prisma e segurando um termômetro logo após a extremidade vermelha do espectro visível. Este termômetro foi concebido para ser um controle para medir a temperatura do ar ambiente na sala. Ele ficou chocado quando mostrou uma temperatura mais alta do que o espectro visível. Outras experiências levaram Herschel a concluir que deve haver uma forma invisível de luz além do espectro visível.
