La musique d'Herschel l'a conduit à s'intéresser aux mathématiques et aux lentilles. Son intérêt pour l'astronomie se renforce après 1773 et il fait la connaissance de l'astronome anglais Royal Nevil Maskelyne. Il commence à construire ses propres télescopes réfléchissants et passe jusqu'à 16 heures par jour à meuler et à polir les miroirs primaires en métal.
Uranus
Lorsqu'il a découvert Uranus, Herschel ne cherchait pas une planète mais faisait une étude des étoiles ; c'était une découverte accidentelle.
C'était la première découverte d'une nouvelle planète depuis l'Antiquité. Les cinq premières, Mercure, Vénus, Mars, Jupiter et Saturne, sont visibles à l'œil nu et sont connues depuis le début de l'histoire. Uranus a été la première découverte au télescope. En fait, Uranus avait déjà été vue par d'autres observateurs avec des télescopes, mais avait été marquée sur les cartes comme une étoile fixe. Herschel a découvert qu'elle se déplaçait sur un fond d'étoiles, et a d'abord pensé qu'il s'agissait d'une comète. Ses mesures ont été utilisées par le mathématicien français Pierre Laplace, qui a calculé son orbite et prouvé qu'il s'agissait d'une planète.
Herschel a appelé la nouvelle planète "étoile géorgienne" (Georgium sidus), en hommage au roi George III, ce qui lui a valu la faveur de ce dernier, mais le nom n'a pas été retenu. En France, où la référence au roi britannique doit être évitée si possible, la planète est connue sous le nom de "Herschel" jusqu'à ce que le nom "Uranus" soit universellement adopté. La même année, Herschel reçoit la médaille Copley et est élu membre de la Royal Society. En 1782, il est nommé "Astronome du Roi". Il reçoit une généreuse récompense du roi, qui lui permet d'arrêter son travail de musicien et de consacrer tout son temps à l'astronomie. Il reçoit une pension à vie de 200 livres par an pour Herschel et de 50 livres par an pour Caroline. Le travail sur le télescope de 40 pieds a également été soutenu par une subvention du roi. p6
Les télescopes d'Herschel
Au cours de sa carrière, il a construit plus de quatre cents télescopes. Il a été aidé dans cette tâche par son frère Alexander qui, comme Caroline, a passé tout son temps à travailler comme assistant d'Herschel.
Le plus grand et le plus célèbre de ses télescopes était un télescope réflecteur avec un miroir principal de 48 pouces de diamètre (1,2 m) et une longueur focale de 12 m. C'était le plus grand télescope du monde de 1789 jusqu'à ce qu'il soit démonté 50 ans plus tard. p6 Le miroir était fait d'un alliage de métal dur d'étain et de cuivre, appelé "spéculum", qu'il polissait à la main.
Le 28 août 1789, sa première nuit d'observation avec cet instrument, il découvre une nouvelle lune de Saturne. Une deuxième lune a suivi au cours du premier mois d'observation. Cependant, le télescope de 40 pieds était difficile à utiliser, et la plupart de ses observations ont été faites avec un réflecteur plus petit de 18,5 pouces (47 cm) et d'une longueur focale de 20 pieds (6,1 m).
Il a continué son travail de fabricant de télescopes, en vendant beaucoup d'entre eux à d'autres astronomes. Avec sa pension du roi, l'argent a permis de le soutenir, lui et ses deux frères et sœurs, dans leur travail.
Catalogue des étoiles
Herschel travaillait avec sa sœur Caroline Herschel. Elle enregistrait ses observations au fur et à mesure qu'il les faisait. En 1783, il a offert un télescope à Caroline, et elle a commencé à faire des découvertes astronomiques de son propre chef, en particulier des comètes.
Caroline a découvert huit comètes, trois nébuleuses et, à la suggestion de son frère, a mis à jour et corrigé les travaux de Flamsteed sur la position des étoiles. Ce travail a été publié sous le nom de British Catalogue of Stars. Elle a été honorée par la Royal Astronomical Society pour ce travail. Caroline continua également à lui servir d'assistante.
Les étoiles binaires
Herschel a été le premier à découvrir que certaines étoiles doubles apparentes en visibilité directe étaient en fait de véritables systèmes d'étoiles binaires où les deux étoiles tournaient l'une autour de l'autre. Ce fut la première preuve que les lois de la gravitation de Newton s'appliquent en dehors du système solaire. Herschel a découvert 850 étoiles binaires, et a élaboré le premier catalogue d'étoiles binaires. Son fils John Herschel en a découvert beaucoup d'autres, et a élargi le catalogue.
Système solaire et Voie lactée
Herschel a étudié les changements de position des étoiles par rapport au système solaire. Des changements se produisent, et assez rapidement pour certaines étoiles proches. De plus, le système solaire entier se déplace, ce qu'a découvert Herschel.
En étudiant le mouvement propre des étoiles, il a été le premier à réaliser que le système solaire se déplace dans l'espace. Il a déterminé la direction approximative de ce mouvement. Il a également étudié la structure de la Voie lactée et a conclu qu'elle avait la forme d'un disque. Ce fut également une découverte très importante.
Découverte du rayonnement infrarouge
Le 11 février 1800, Herschel teste des filtres solaires pour pouvoir observer les taches solaires. En utilisant un filtre rouge, il a découvert qu'il produisait beaucoup de chaleur.
Herschel a découvert le rayonnement infrarouge en faisant passer la lumière du soleil à travers un prisme et en tenant un thermomètre juste au-delà de l'extrémité rouge du spectre visible. Ce thermomètre était censé être un contrôle pour mesurer la température de l'air ambiant dans la pièce. Il a été choqué de constater que la température était plus élevée que celle du spectre visible. D'autres expérimentations ont conduit Herschel à la conclusion qu'il devait y avoir une forme invisible de lumière au-delà du spectre visible.
