Schlagartig berühmt wurde Herschel, als er 1781 ein neues Objekt im Sonnensystem entdeckte: den Planeten Uranus. Er wurde zum Mitglied der Royal Society of London gewählt, König George III. sagte ihm eine jährliche Vergütung zu. So konnte er sich völlig seiner Liebhaberei, der Astronomie, zuwenden. Die Herschels siedelten von Bath nach Slough über. Er stellte in der Folgezeit Teleskope nicht nur für den eigenen Gebrauch her, sondern auch, um seine Einnahmen aufzubessern. 1788 heiratete er Mary Pitt, die Witwe eines seiner Nachbarn. 1816wurde er vom Prinzregenten, dem künftigen König Georg IV., zum Ritter geschlagen. In Slough lebte und arbeitete er bis zu seinem Tod im Jahr 1822.

Herschel wurde in der St. Laurence Kapelle in Upton begraben. Auf seinem Grabstein steht der lateinische Satz "Coelorum perrupit claustra" (Er durchbrach die Grenzen des Himmels).

Entdeckungen

Seit prähistorischen Zeiten kannten die Menschen lediglich die fünf Planeten Merkur, Venus, Mars, Jupiter und Saturn. Die Entdeckung eines weiteren Himmelskörpers, der zum Sonnensystem gehört, jedoch nicht – wie Herschel selbst anfangs meinte – ein Komet war, war eine Sensation. Er nannte dieses Objekt zunächst georgium sidus (Georgsgestirn); nachdem festgestellt war, dass es auf einer nahezu kreisförmigen Bahn (wie die bekannten Planeten) lief, wurde es Uranus genannt. Mit dieser – rein zufällig erfolgten – Entdeckung war der Umfang des Sonnensystems auf das Doppelte angewachsen.

Herschels Interesse jedoch lag bei den nebligen Himmelsobjekten. Charles Messier hatte 1780/81 einen Katalog mit 103 nicht-punktförmig ("neblig") erscheinenden Objekten veröffentlicht; die Fachleute waren sich nicht einig, ob es sich dabei jeweils um unzählige Sterne oder aber um leuchtende Wolken oder Flüssigkeiten handelte. Vom Herbst 1782 an suchte Herschel gezielt nach weiteren Objekten dieser Art (bis 1802). Mit seinem überlegenen Gerät stellte er bald fest, dass er mehrere der "Nebel" in Einzelsterne auflösen konnte. Er vermutete, dass auch die übrigen Objekte Sternhaufen seien, und dass diese nur deshalb nicht aufgelöst werden konnten, weil sie viel weiter entfernt – und damit auch viel größer – seien als bis dahin gedacht. Diese im Jahr 1785 geäußerte Vermutung hat sich prinzipiell als zutreffend erwiesen. Jedoch konnte Herschel noch nicht wissen, dass es sich um grundverschiedene Typen handelte: echte leuchtende Gasnebel (wie der Orionnebel), Sternhaufen (wie die Plejaden oder M 13) und Galaxien (etwa der Andromedanebel).

Herschel führte als Erster eine Klassifizierung dieser Objekte ein. Er unterschied sie nach der scheinbaren Helligkeit, der Größe, der Regelmäßigkeit der Form und der Konzentration zur Mitte hin. Im Verlaufe seiner Untersuchungen entwickelte er eine Theorie der Entstehung der Sternhaufen: die Schwerkraft müsse mit der Zeit aus losen Haufen dichter gepackte Systeme entstehen lassen. So führte er das Konzept der Entwicklung (oder Evolution) in die Astronomie ein: der Sternhimmel war nunmehr nicht mehr ewig und unveränderlich. Herschel wurde damit zum Begründer des Erkenntnisobjektes Kosmologie.

Als er im Jahr 1790 einen Fixstern mit umgebender Wolke beobachtete, revidierte er seine frühere Ansicht. Er hielt es nun für möglich, dass sämtliche Sterne sich unter dem Einfluss der Schwerkraft aus einer Art Wolke aus Gas oder einer Flüssigkeit zusammengezogen hätten.

Auch Statistik und Wahrscheinlichkeitsüberlegungen nutzte er als erster Astronom: er fand, dass ein Stück der Milchstraße, 15° lang und 2° breit, mehr als 50.000 deutlich erkennbare Sterne enthält. Aus der Verteilung der Fixsterne suchte er die Gestalt der Milchstraße abzuleiten. Er kam zu dem Ergebnis, dass es sich um eine linsenförmige Ansammlung von Sternen handelt. (Da er annahm, sämtliche Fixsterne hätten dieselbe absolute Helligkeit, glaubte er, aus der scheinbaren Helligkeit auf den Abstand schließen zu können. Dieser Ansatz erwies sich später als falsch.) Von Herschel stammen auch die ersten Versuche, die Bewegung des Sonnensystems im All zu bestimmen " eine Arbeit, die allerdings erst vonArgelander u.a. mit Teleskopen mit besserer Schärfeleistung erfolgreich in Angriff genommen werden konnte.

Auch stellte er fest, dass nicht alle Doppelsterne nur zufällig so angeordnet sein konnten (visuelle Doppelsterne). Es musste vielmehr eine beträchtliche Anzahl geben, die durch Schwerkraft aneinander gebunden sind (physische Doppelsterne). Er war in der Lage, die Kreisbewegung bei einigen dieser Sternpaare zu beobachten und begann mit systematischen Helligkeitsvergleichen der Komponenten.

Im Laufe der Zeit erstellte er einen Katalog nebliger Objekte mit mehr als 2500 Eintragungen („Herschel-Katalog“ genannt) sowie einen Katalog mit 848 Doppelsternen. Ohne die selbstlose Mithilfe seiner Schwester Caroline wären diese Kataloge nicht zustande gekommen.

Obwohl sein besonderes Interesse lebenslang dem Fixsternhimmel galt, vernachlässigte er die Objekte des Sonnensystems nicht: beim Mars wies er jahreszeitliche Veränderungen nach, er entdeckte zwei Saturnmonde und mehrere Monde des Uranus und bestimmte die Rotationsperiode des Saturn. Aus der Beobachtung des Lomonossow-Effekts zog er den Schluss, dass die Venus eine Atmosphäre haben müsse (Lomonossow hatte dies bereits 1761 vermutet, jedoch nicht publiziert).

Herschel entdeckte im Jahr 1800 die Infrarotstrahlung, indem er Sonnenlicht durch ein Prisma lenkte und hinter dem roten Ende des sichtbaren Spektrums ein Thermometer legte. Die Temperatur stieg in diesem Bereich, und Herschel schloss daraus, dass dort eine unsichtbare Form von Energie wirksam sein musste.

Herschels Beobachtungen waren nur möglich durch die bis dahin außergewöhnliche Lichtleistung seiner Teleskope, jedoch beeinträchtigt durch ihre unzureichende Schärfeleistung. Er war ein außergewöhnlich talentierter und unermüdlicher Beobachter; seine Lösungsansätze waren (manchmal allzu) kühn, jedoch immer wegweisend.