Горя честолюбием составить карту неба, Гершель с помощью брата изготовил собственный телескоп. Он сам шлифовал и полировал линзы и однажды продолжал эту работу непрерывно в течение шестнадцати часов, а Каролина кормила его во время работы или снимала тоску, читая ему Сервантеса, Филдинга или Стерна. Это был первый из нескольких телескопов, сделанных Гершелем или под его руководством. В 1774 году, в возрасте тридцати шести лет, он сделал свое первое наблюдение, но еще много лет он мог уделять астрономии только то время, которое оставляла ему работа музыканта. Четыре раза он исследовал все участки неба. Во время второго из этих космических путешествий, 14 марта 1781 года, он сделал свое эпохальное открытие, значение которого он сильно недооценивал:
Рассматривая мелкие звезды в окрестностях H. Geminorum, я заметил одну, которая казалась заметно крупнее остальных. Пораженный ее необычным видом, я сравнил ее с H. Geminorum и маленькой звездой в квартиле между Auriga и Gemini; обнаружив, что она намного больше любой из них, я заподозрил, что это комета.
Это была не комета; дальнейшее изучение вскоре показало, что она вращается вокруг Солнца по почти круговой орбите, в девятнадцать раз превышающей орбиту Земли и в два раза — Сатурна; это была новая планета, первая, признанная таковой в письменных источниках астрономии. Весь ученый мир приветствовал это открытие, которое удвоило диаметр Солнечной системы, как было известно ранее. Королевское общество наградило Гершеля стипендией и медалью Копли; Георг III убедил его отказаться от карьеры музыканта и стать астрономом короля. Гершель назвал новую планету Georgium Sidus («Звезда Жоржа»), но позже астрономы решили назвать ее Ураном, отобрав у ганноверских королей и отдав, как и почти всех остальных собратьев, языческим богам.
В 1781 году Уильям и Кэролайн переехали в Слау, симпатичный городок на пути из Лондона в Виндзор. Его скромное жалованье в двести фунтов в год не могло прокормить его, сестру и инструменты; он пополнял его, изготавливая и продавая телескопы. Для себя он строил их еще больше, пока в 1785 году не сделал один длиной сорок футов, с зеркалом диаметром четыре фута. Фанни Берни, дочь музыканта-историка, которого мы часто цитировали, записала в своем дневнике под 30 декабря 1786 года:
Сегодня утром мой дорогой отец повез меня [то есть отвез ее, ведь ей было тридцать шесть] к доктору Гершелю. Этот великий и очень необычный человек принял нас почти с распростертыми объятиями…. По приглашению мистера Гершеля я прогулялась… в его телескоп! И он держал меня совершенно вертикально, без малейшего неудобства; так же он бы делал, если бы я была одета в перья и обруч для колокольчика — такова его окружность.
В 1787 году Гершель открыл два спутника Урана, которые назвал Оберон и Титания; в 1789 году он обнаружил шестой и седьмой спутники Сатурна. В 1788 году он женился на богатой вдове; ему больше не нужно было беспокоиться о деньгах, но он продолжал свои исследования с прежним рвением. Обычно он работал в те ночи, когда звезды выходили на небо и не были затемнены слишком яркой Луной. Большинство наблюдений он проводил под открытым небом с платформы, на которую поднимался по пятидесятифутовой лестнице. Иногда холод был настолько сильным, что чернила замерзали в бутылке, которую Кэролайн брала с собой, чтобы записывать результаты наблюдений.
Продолжая более систематическую работу Шарля Мессье и Николя де Лакайля по поиску и составлению списков туманностей и звездных скоплений, Гершель представил в Королевское общество (1782–1802) каталоги 2500 туманностей и скоплений и 848 двойных звезд. Из этих 848 он сам обнаружил 227. Он предположил, что они могут находиться в паре, испытывая взаимное тяготение и вращение, — наглядное применение теории Ньютона к межзвездным отношениям. Во многих случаях то, что выглядело как одна звезда, оказывалось скоплением отдельных звезд, а некоторые из этих скоплений, увиденные в большие телескопы, оказывались отдельными звездами, находящимися на значительно разных расстояниях от Земли. Млечный Путь при новом увеличении превратился из облака светящейся материи в огромное скопление и череду отдельных светил. Теперь небо, которое раньше казалось просто усыпанным звездами, оказалось усеянным ими почти так же густо, как каплями воды во время дождя. И если раньше человеческий глаз видел только звезды от первой до шестой величины, то телескопы Гершеля открыли дополнительные звезды в 1342 раза тусклее самых ярких. Как и Галилей, Гершель безмерно расширил границы известной Вселенной. If Pascal had trembled before the «infinity» of the heavens known to his time, what would he have felt before this endless depth beyond depth of stars beyond counting, some, said Herschel, «11,750,000,000,000,000,000,000 miles» from the earth? Многие из звезд были солнцами с вращающимися вокруг них планетами. Наше собственное солнце, его планеты и их спутники в совокупности были уменьшены до пятнышка в световом космосе.
