你知道吗？有许多肉眼看起来单颗的星星，在望远镜下却是由两颗恒星组成的。赫歇尔对研究这种“双星”特别上心，被他记录下来的多达848对，比此前所有天文学家观测发现的加起来还多。当时的天文学家普遍认为它们只不过是在天球的投影上靠在一起，实际上可能是距离非常遥远且毫无关系的两颗独立恒星。

赫歇尔经过大量的追踪观测，发现有很大一部分的双星并非人们认为的那种“光学双星”，而是围绕着相同质心旋转的“联星”。这是观察上看似一样，但本质上浑然迥异的区别。

在捕捉这种微妙差异的环节中，赫歇尔很大程度上得益于他自制的望远镜。显然，他将在练习乐器中养成的精深技能这个好习惯，带到了制作望远镜的手艺上。在熟练打磨镜面的工序后，赫歇尔为提高望远镜的放大倍率，将口径越做越大，还顺便改良了当时的望远镜，使之提高聚光的效率，以便能够看得见相对昏暗的星体。后世将按照这种光学系统制成的望远镜称为“赫歇尔望远镜”。

据统计，赫歇尔一生总共制造了2160片镜子，完成了400架天文望远镜的制作。其中最大的一台长12米，口径达到1.26米。当它仰起来对准夜空时，活像一门蓄势待发的大炮，这种天文望远镜的发明被后人认为是18世纪的天文奇迹之一。他所制作的望远镜以性能来说，即便放到当时的格林尼治皇家天文台，也是望远镜中的佼佼者。

赫歇尔正式成为专业的天文学家时已经43岁，他从未受过正规的高等教育，全凭勤奋自学获得了渊博的学识，包括数理基础、冶炼、磨镜等技艺。

在天文学上获得了傲人的成就后，赫歇尔并没有因此停息，反而更加废寝忘食地投入到观测工作中。他白天研制望远镜，日落后只要天气许可，总是彻夜观测夜空。

一天，赫歇尔综合判断了自己长期以来的观测数据以及前人的研究记录，他产生了“太阳并不是永恒不动，而是缓慢地带着整个太阳系向某个方向前进”的疯狂猜想。1783年，赫歇尔正式向天文学界宣布，太阳正朝着武仙座方向运动。为了证明这个猜想，他对七颗不同方位的恒星进行严密的追踪，最终通过它们的“路灯效应[7]”现象，论证了太阳无时无刻不在做空间运动的真相。

这个发现，再次颠覆了人们对宇宙的认知。然而限于当时天文观测仪器的水平，天文学家们无法进一步验证赫歇尔超前的发现，于是对他的猜想将信将疑。直到半个世纪后，人们才在更多的数据面世后，逐渐接受了太阳在运动的事实。

随着资历的提升，赫歇尔的目光也放得越来越远。自哥白尼时代以来，人们心目中的宇宙只限于太阳系，对太阳系外的恒星世界一无所知。赫歇尔尽其所能地把视野拓宽到太阳系外，逐步确认了由众多恒星构成的银河系的存在。他还进行了银河系结构的研究，用“恒星计数”的方法，一点一点地为银河系绘出一幅扁平圆盘状的结构图像。这是人类首次看到银河系的形状。

宇宙是那么浩渺无垠，在长达近20年的巡天观测中，赫歇尔一直对宇宙中遥远的星云和星团保持关注。据他前后制作的星表统计，他在这期间一共发现了2500个星云和星团。而在他之前，天文学家已知的所有非恒星天体总数加起来也不过150个。

当时的天文学家将宇宙中那些神秘的云雾状发光天体统一叫作星云，认为它是由气体和尘埃组成的天体。然而赫歇尔却发现，有些星云在倍数更大的望远镜底下，竟可以看见部分点状的恒星。赫歇尔由此提出，许多原先认为是星云的天体，只不过是因为距离太遥远而无法看清，实际上却是由恒星组成的星团。赫歇尔的想法并没有错，后来的天文学家在更先进的天文望远镜的帮助下证明了他的观点。

赫歇尔还进一步比较了不同密度的星团，发现它们的结构形式同样显示了引力的作用。因此推论，在广阔无垠的太空中，恒星最初是分散的，但随着引力的作用，渐渐聚集起来，因此恒星疏散的星团处于早期的发展阶段，而恒星密集的星团则属于星团的晚期阶段。[8]