Η μουσική του Χέρσελ τον οδήγησε στο ενδιαφέρον του για τα μαθηματικά και τους φακούς. Το ενδιαφέρον του για την αστρονομία έγινε εντονότερο μετά το 1773 και γνώρισε τον Άγγλο Βασιλικό Αστρονόμο Nevil Maskelyne. Άρχισε να κατασκευάζει τα δικά του ανακλαστικά τηλεσκόπια και περνούσε έως και 16 ώρες την ημέρα λειαίνοντας και γυαλίζοντας τα μεταλλικά πρωτεύοντα κάτοπτρα.
Ουρανός
Όταν ανακάλυψε τον Ουρανό, ο Χέρσελ δεν έψαχνε για έναν πλανήτη αλλά έκανε μια έρευνα για τα αστέρια- ήταν μια τυχαία ανακάλυψη.
Ήταν η πρώτη ανακάλυψη ενός νέου πλανήτη από την αρχαιότητα. Οι πέντε πρώτοι, ο Ερμής, η Αφροδίτη, ο Άρης, ο Δίας και ο Κρόνος, είναι ορατοί με γυμνό μάτι και είναι γνωστοί από τις αρχές της ιστορίας. Ο Ουρανός ήταν ο πρώτος που ανακαλύφθηκε με τηλεσκόπιο. Στην πραγματικότητα, ο Ουρανός είχε παρατηρηθεί και προηγουμένως από άλλους παρατηρητές με τηλεσκόπια, αλλά είχε σημειωθεί στους χάρτες ως σταθερός αστέρας. Ο Χέρσελ διαπίστωσε ότι κινούνταν στο φόντο των άστρων και στην αρχή νόμιζε ότι επρόκειτο για κομήτη. Οι μετρήσεις του χρησιμοποιήθηκαν από τον Γάλλο μαθηματικό Πιερ Λαπλάς, ο οποίος υπολόγισε την τροχιά του και απέδειξε ότι ήταν πλανήτης.
Ο Χέρσελ ονόμασε τον νέο πλανήτη "γεωργιανό αστέρι" (Georgium sidus) από τον βασιλιά Γεώργιο Γ', γεγονός που του χάρισε την εύνοια- το όνομα δεν έμεινε, ωστόσο. Στη Γαλλία, όπου η αναφορά στον βρετανό βασιλιά έπρεπε να αποφεύγεται αν ήταν δυνατόν, ο πλανήτης ήταν γνωστός ως "Herschel" μέχρι να υιοθετηθεί παγκοσμίως το όνομα "Ουρανός". Την ίδια χρονιά, ο Χέρσελ τιμήθηκε με το μετάλλιο Κόπλεϊ και εξελέγη μέλος της Βασιλικής Εταιρείας. Το 1782, διορίστηκε "Αστρονόμος του Βασιλιά". Πήρε ένα γενναιόδωρο βραβείο από τον βασιλιά, το οποίο του επέτρεψε να σταματήσει να εργάζεται ως μουσικός και να αφιερώσει όλο του τον χρόνο στην αστρονομία. Το βραβείο ήταν ισόβια σύνταξη 200 λιρών ετησίως για τον Χέρσελ και 50 λιρών ετησίως για την Καρολίνα. Οι εργασίες για το τηλεσκόπιο των 40 ποδών υποστηρίχθηκαν επίσης από επιχορήγηση του βασιλιά. p6
Τα τηλεσκόπια του Herschel
Κατά τη διάρκεια της καριέρας του, κατασκεύασε περισσότερα από τετρακόσια τηλεσκόπια. Σε αυτό τον βοήθησε ο αδελφός του Αλέξανδρος, ο οποίος, όπως και η Καρολίνα, περνούσε όλο του το χρόνο δουλεύοντας ως βοηθός του Χέρσελ.
Το μεγαλύτερο και πιο διάσημο από τα τηλεσκόπια του ήταν ένα ανακλαστικό τηλεσκόπιο με κύριο κάτοπτρο διαμέτρου 1,2 m (48 ιντσών) και εστιακό μήκος 12 m (40 πόδια). Αυτό ήταν το μεγαλύτερο τηλεσκόπιο στον κόσμο από το 1789 μέχρι την αποσυναρμολόγησή του (αποσυναρμολόγηση) 50 χρόνια αργότερα.p6 Το κάτοπτρο ήταν κατασκευασμένο από ένα σκληρό μεταλλικό κράμα κασσίτερου και χαλκού, που ονομαζόταν "speculum", το οποίο γυάλιζε με το χέρι.
Στις 28 Αυγούστου 1789, την πρώτη νύχτα παρατήρησης με αυτό το όργανο, ανακάλυψε ένα νέο φεγγάρι του Κρόνου. Ένα δεύτερο φεγγάρι ακολούθησε μέσα στον πρώτο μήνα παρατήρησης. Ωστόσο, το τηλεσκόπιο των 40 ποδών ήταν άβολο στη χρήση και οι περισσότερες παρατηρήσεις του έγιναν με ένα μικρότερο ανακλαστήρα 18,5 ιντσών (47 cm) μήκους 20 ποδών (6,1 m).
Συνέχισε τη δουλειά του ως κατασκευαστής τηλεσκοπίων, πουλώντας πολλά από αυτά σε άλλους αστρονόμους. Μαζί με τη σύνταξή του από τον βασιλιά, τα χρήματα βοηθούσαν τον ίδιο και τα δύο αδέλφια του να συντηρούν την εργασία τους.
Κατάλογος αστέρων
Ο Herschel εργαζόταν με την αδελφή του Caroline Herschel. Εκείνη κατέγραφε τις παρατηρήσεις του καθώς τις έκανε. Το 1783 έδωσε στην Καρολίν ένα τηλεσκόπιο και άρχισε να κάνει αστρονομικές ανακαλύψεις με το δικό της δικαίωμα, ιδίως κομήτες.
Η Καρολίνα ανακάλυψε οκτώ κομήτες, τρία νεφελώματα και, μετά από πρόταση του αδελφού της, ενημέρωσε και διόρθωσε το έργο του Flamsteed σχετικά με τη θέση των άστρων. Το έργο αυτό δημοσιεύθηκε ως Βρετανικός Κατάλογος των Αστέρων. Τιμήθηκε από τη Βασιλική Αστρονομική Εταιρεία για το έργο αυτό. Η Καρολίνα συνέχισε επίσης να υπηρετεί ως βοηθός του.
Δυαδικά αστέρια
Ο Χέρσελ ήταν ο πρώτος που ανακάλυψε ότι ορισμένοι φαινομενικοί διπλοί αστέρες με οπτική επαφή ήταν στην πραγματικότητα πραγματικά διπλά αστρικά συστήματα όπου οι δύο αστέρες περιστρέφονταν ο ένας γύρω από τον άλλο. Αυτή ήταν η πρώτη απόδειξη ότι οι νόμοι της βαρύτητας του Νεύτωνα ισχύουν εκτός του ηλιακού συστήματος. Ο Χέρσελ ανακάλυψε 850 διπλούς αστέρες και συνέταξε τον πρώτο κατάλογο διπλών αστέρων. Ο γιος του Τζον Χέρσελ ανακάλυψε πολλά περισσότερα και επέκτεινε τον κατάλογο.
Ηλιακό σύστημα και Γαλαξίας
Ο Χέρσελ μελέτησε τις αλλαγές στη θέση των άστρων σε σχέση με το Ηλιακό Σύστημα. Οι αλλαγές συμβαίνουν, και μάλιστα αρκετά γρήγορα για ορισμένα κοντινά αστέρια. Επίσης, ολόκληρο το Ηλιακό Σύστημα κινείται, και αυτό ανακαλύφθηκε από τον Herschel.
Μελετώντας την κατάλληλη κίνηση των αστέρων, ήταν ο πρώτος που συνειδητοποίησε ότι το ηλιακό σύστημα κινείται στο διάστημα. Επεξεργάστηκε την κατά προσέγγιση κατεύθυνση αυτής της κίνησης. Μελέτησε επίσης τη δομή του Γαλαξία μας και κατέληξε στο συμπέρασμα ότι έχει σχήμα δίσκου. Αυτή ήταν επίσης μια πραγματικά σημαντική ανακάλυψη.
Ανακάλυψη της υπέρυθρης ακτινοβολίας
Στις 11 Φεβρουαρίου 1800, ο Herschel δοκίμαζε φίλτρα για τον ήλιο, ώστε να μπορεί να παρατηρεί τις ηλιακές κηλίδες. Όταν χρησιμοποίησε ένα κόκκινο φίλτρο, διαπίστωσε ότι παράγεται πολλή θερμότητα.
Ο Χέρσελ ανακάλυψε την υπέρυθρη ακτινοβολία περνώντας το ηλιακό φως μέσα από ένα πρίσμα και κρατώντας ένα θερμόμετρο ακριβώς πέρα από το κόκκινο άκρο του ορατού φάσματος. Αυτό το θερμόμετρο προοριζόταν να είναι ένα όργανο ελέγχου για τη μέτρηση της θερμοκρασίας του αέρα του περιβάλλοντος στο δωμάτιο. Σοκαρίστηκε όταν έδειξε υψηλότερη θερμοκρασία από το ορατό φάσμα. Περαιτέρω πειραματισμοί οδήγησαν τον Χέρσελ στο συμπέρασμα ότι πρέπει να υπάρχει μια αόρατη μορφή φωτός πέρα από το ορατό φάσμα.
