Herschel's Musik führte ihn zu einem Interesse an Mathematik und Linsen. Sein Interesse an der Astronomie wurde nach 1773 stärker und er machte die Bekanntschaft des englischen Astronomen Royal Nevil Maskelyne. Er begann, seine eigenen Spiegelteleskope zu bauen und verbrachte bis zu 16 Stunden pro Tag damit, die Primärspiegel aus Metall zu schleifen und zu polieren.
Uranus
Als er Uranus entdeckte, suchte Herschel nicht nach einem Planeten, sondern machte eine Vermessung der Sterne; es war eine zufällige Entdeckung.
Es war die erste Entdeckung eines neuen Planeten seit der Antike. Die ersten fünf, Merkur, Venus, Mars, Jupiter und Saturn, sind mit bloßem Auge sichtbar und seit der Frühgeschichte bekannt. Uranus war der erste, der durch ein Teleskop entdeckt wurde. Eigentlich war Uranus schon vorher von anderen Beobachtern mit Teleskopen gesehen worden, war aber auf den Horoskopen als Fixstern markiert worden. Herschel stellte fest, dass er sich vor dem Hintergrund von Sternen bewegte, und hielt ihn zunächst für einen Kometen. Seine Messungen wurden von dem französischen Mathematiker Pierre Laplace verwendet, der seine Umlaufbahn berechnete und nachwies, dass es sich um einen Planeten handelt.
Herschel nannte den neuen Planeten nach König Georg III. den "georgischen Stern" (Georgium sidus), was ihm Gunst verschaffte; der Name blieb jedoch nicht haften. In Frankreich, wo eine Bezugnahme auf den britischen König möglichst vermieden werden sollte, wurde der Planet "Herschel" genannt, bis der Name "Uranus" allgemein angenommen wurde. Im selben Jahr wurde Herschel mit der Copley-Medaille ausgezeichnet und zum Fellow der Royal Society gewählt. Im Jahre 1782 wurde er zum "Astronom des Königs" ernannt. Er erhielt vom König eine großzügige Auszeichnung, die es ihm ermöglichte, seine Arbeit als Musiker einzustellen und sich ganz der Astronomie zu widmen. Die Auszeichnung war eine lebenslange Rente an Herschel in Höhe von £ 200 pro Jahr und £ 50 pro Jahr an Caroline. Die Arbeit an dem 40-Fuß-Teleskop wurde ebenfalls durch einen Zuschuss des Königs unterstützt. p6
Herschels Teleskope
Im Laufe seiner Karriere baute er mehr als vierhundert Teleskope. Dabei half ihm sein Bruder Alexander, der, wie Caroline, seine ganze Zeit als Assistent von Herschel arbeitete.
Das größte und berühmteste seiner Teleskope war ein Spiegelteleskop mit einem Hauptspiegel mit einem Durchmesser von 1,2 m (48 Zoll) und einer Brennweite von 12 m (40 Fuß). Es war von 1789 bis zu seiner Demontage (Zerlegung) 50 Jahre später das größte Teleskop der Welt. p6 Der Spiegel bestand aus einer Hartmetalllegierung aus Zinn und Kupfer, genannt "Spekulum", die er von Hand polierte.
Am 28. August 1789, seiner ersten Beobachtungsnacht mit diesem Instrument, entdeckte er einen Neumond des Saturn. Ein zweiter Mond folgte innerhalb des ersten Beobachtungsmonats. Die Verwendung des 40-Fuß-Teleskops war jedoch umständlich, und die meisten seiner Beobachtungen wurden mit einem kleineren Reflektor von 47 cm (18,5 Zoll) und einer Brennweite von 6,1 m (20 Fuß) durchgeführt.
Er setzte seine Arbeit als Teleskopbauer fort und verkaufte viele von ihnen an andere Astronomen. Zusammen mit seiner Rente vom König half das Geld, ihn und seine beiden Geschwister bei ihrer Arbeit zu unterstützen.
Sternkatalog
Herschel arbeitete früher mit seiner Schwester Caroline Herschel zusammen. Sie zeichnete seine Beobachtungen auf, während er sie machte. Im Jahr 1783 schenkte er Caroline ein Teleskop, und sie begann, selbst astronomische Entdeckungen zu machen, insbesondere Kometen.
Caroline entdeckte acht Kometen, drei Nebel und aktualisierte und korrigierte auf Anregung ihres Bruders Flamsteeds Arbeit über die Position von Sternen. Diese wurde als British Catalogue of Stars veröffentlicht. Für diese Arbeit wurde sie von der Royal Astronomical Society geehrt. Caroline diente auch weiterhin als seine Assistentin.
Binäre Sterne
Herschel war der erste, der herausfand, dass einige scheinbare Doppelsterne in Sichtlinie tatsächlich echte Doppelsternsysteme sind, in denen sich die beiden Sterne umeinander drehen. Dies war der erste Beweis dafür, dass die Newtonschen Gravitationsgesetze außerhalb des Sonnensystems gelten. Herschel entdeckte 850 Doppelsterne und erarbeitete den ersten Katalog von Doppelsternen. Sein Sohn John Herschel entdeckte viele weitere und erweiterte den Katalog.
Sonnensystem und Milchstraße
Herschel untersuchte die Veränderungen der Sternenposition relativ zum Sonnensystem. Änderungen treten auf, und zwar ziemlich schnell für einige nahe Sterne. Außerdem bewegt sich das gesamte Sonnensystem, und dies wurde von Herschel entdeckt.
Durch das Studium der Eigenbewegung von Sternen erkannte er als erster, dass sich das Sonnensystem durch den Raum bewegt. Er erarbeitete die ungefähre Richtung dieser Bewegung. Er studierte auch die Struktur der Milchstraße und kam zu dem Schluss, dass sie die Form einer Scheibe hat. Dies war auch eine wirklich bedeutende Entdeckung.
Entdeckung der Infrarotstrahlung
Am 11. Februar 1800 testete Herschel Filter für die Sonne, damit er Sonnenflecken beobachten konnte. Bei der Verwendung eines Rotfilters stellte er fest, dass dabei sehr viel Wärme produziert wurde.
Herschel entdeckte die Infrarotstrahlung, indem er Sonnenlicht durch ein Prisma führte und ein Thermometer knapp jenseits des roten Endes des sichtbaren Spektrums hielt. Dieses Thermometer sollte eine Kontrolle zur Messung der Umgebungslufttemperatur im Raum sein. Er war schockiert, als es eine höhere Temperatur als das sichtbare Spektrum zeigte. Weitere Experimente führten zu Herschels Schlussfolgerung, dass es eine unsichtbare Form von Licht jenseits des sichtbaren Spektrums geben muss.
