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天文观测在外人看来也许是一项很浪漫的事业，但实际上虽不乏浪漫，却也充满了艰辛。即便拥有高质量的望远镜，一项天文发现的背后也往往凝聚着天文学家长年累月的心血。赫歇耳不仅在制作望远镜上走在了同时代人的前面，在天文观测上也有着常人难以企及的细心和热忱。他一生仅巡天观测就进行了四次之多，每一次都对观测到的天体进行了系统而全面的记录。其中最早的一次是通过一架口径4.5英寸的反射望远镜进行的，涵盖的是所有视星等亮于4的天体
。由于视星等亮于4的天体用肉眼都清晰可见，这样的观测对于他精心制作的望远镜来说无疑只是牛刀小试。而且，这类天体既然用肉眼就能看见，从中做出任何重大发现的可能性显然都是微乎其微的。用功利的眼光来看，这样的巡天观测几乎是在浪费时间，但对赫歇耳来说，天文观测的乐趣远远超越了任何功利的目的。从这样一次注定不可能有重大发现的巡天观测开始自己的观测生涯，极好地体现了赫歇耳在天文观测上扎实、沉稳、严谨、系统的风格。除了这种极具专业色彩的风格外，赫歇耳对天文观测的酷爱程度也是非常罕见的。他对观测的沉醉，实已达到了废寝忘食的境界。在他从事观测时，食物常常是卡洛琳用勺子一小口一小口地喂进他的嘴里，而睡觉则往往要托坏天气的福。正是这样的专业风格与忘我热忱的完美结合，最终成就了天文观测史上的一次伟大发现。
几年下来，赫歇耳以及他所制造的望远镜在英国学术圈里渐渐有了一些知名度。“七英尺望远镜”制作完成后，赫歇耳开始用这架举世无双的望远镜进行自己的第二次巡天观测，这次巡天观测的目的之一是寻找双星（赫歇耳一生共找到过800多对双星，是研究双星的先驱者之一），所涵盖的最暗天体的表观亮度约为8等，相当于上次巡天观测所涉及的最暗天体表观亮度的1/40，或肉眼所能看到的最暗天体表观亮度的1/6。显然，这次巡天观测所涉及的天体数量比上一次大得多，工作量也大得多。
1781年3月13日夜晚10点到11点之间，赫歇耳的望远镜指向了位于金牛座（Taurus）一“角”（ζ星）与双子座（Gemini）一“脚”（η星）之间的一小片天区。在望远镜的视野里，一个视星等在6左右，略带圆面的新天体引起了赫歇耳的注意。那会是一个什么天体呢？由于恒星是不会在望远镜里留下圆面的，因此这一天体不像是恒星。为了证实这一点，赫歇耳更换了望远镜的镜片，将放大倍率由巡天观测所用的227倍增加到460倍，尔后又进一步增加到932倍，结果发现这个天体的线度按比例地放大了。（请读者思考一下，赫歇耳既然有放大率更高的镜片，在巡天观测时为什么不用？）毫无疑问，这样的天体绝不可能是恒星，恒星哪怕在更大的放大倍率下也只会是一个亮点，而不会呈现出圆面。那么，它究竟是一个什么天体呢？赫歇耳认为答案有可能是星云状物体，也有可能是彗星。但就在他试图一探究竟的时候，巴斯的天公却不作美，一连几天都不适合天文观测，赫歇耳苦等了四天才等来了再次观测这一天体的机会，这时他发现该天体的位置与四天前的记录相比，有了细微的移动。由于星云状物体和恒星一样是不运动的，因此这一发现排除了该天体为星云状物体的可能性。于是赫歇耳的选项只剩下了一个，那就是彗星，他正式宣布自己发现了一颗新的“彗星”。
发现新彗星虽然算不上是很重大的天文发现，但每颗新彗星的发现都能为天文学家们新增一个研究轨道的对象，而这在当时正是很多人感兴趣的事情。因此天文学家们一得知赫歇耳发现新“彗星”的消息，便立即对新“彗星”展开了观测。令人奇怪的是，这颗新“彗星”并没有像其他彗星那样拖着长长的尾巴。用后人的眼光来看，或许很难理解如此显著的疑点为何没有让赫歇耳意识到自己所发现的其实不是彗星，而是一颗新的行星。但在当时，“新行星”这一概念对很多人来说几乎是一个思维上的盲点。不过科学家毕竟是科学家，他们是不会始终沉陷在盲点里漠视证据的。赫歇耳的发现公布之后，英国皇家学会的天文学家马斯克林（Nevil Maskelyne）在对该“彗星”进行了几个夜晚的跟踪观测之后，率先猜测它有可能是一颗新的行星，因为它不仅没有彗星的尾巴，连轨道也迥异于彗星。当然，凭借短短几个夜晚的观测，马斯克林只能对新天体的轨道进行很粗略的推断。几个月之后，随着观测数据的积累，瑞典天文学家莱克塞尔（Anders Johan Lexell）、法国科学家萨隆（Bochart de Saron），以及法国天体力学大师拉普拉斯彼此独立地从数学上论证了新天体的轨道接近于圆形，从而与接近抛物线的彗星轨道截然不同。与此同时，赫歇耳本人也借助自己无与伦比的望远镜优势对新天体的大小进行了估计，结果发现其直径约为54700千米，是地球直径的4倍多
。显然，在近圆形轨道上运动的如此巨大的天体只能是行星，而绝不可能是彗星。因此到了1781年的秋天，天文学界已普遍认为赫歇耳发现的是太阳系的第七大行星。这颗行星比水星、金星、地球和火星都大得多，甚至比它们加在一起还要大得多，它绕太阳公转的轨道半径约为30亿千米，相当于土星轨道半径的两倍，或地球轨道半径的20倍。
几千年来，人类所认识的太阳系的疆界终于第一次得到了扩展
。
赫歇耳的伟大发现立即被英国天文学界引为骄傲，赫歇耳本人也因此而获得了巨大的荣誉。1781年11月，英国皇家学会将自己的最高奖——考普雷奖（Copley Medal）授予了赫歇耳，并接纳他为皇家天文学会的成员。赫歇耳从此成为了职业天文学家。为了让赫歇耳有充裕的财力从事研究，皇家学会免除了他的会费。不仅如此，英王乔治三世还特意为他提供了津贴，并亲自接见了他。后来乔治三世干脆请赫歇耳迁居到温莎堡（Windsor Castle）附近，以便能让他时常向皇室成员讲解星空知识。作为回报，赫歇耳在皇家学会的提示下写了一封感谢信，盛赞乔治三世对他的慷慨资助，并提议将新行星命名为“乔治星”（Georgian Planet）。虽然在新天体的命名中发现者通常享有优先权，但像“乔治星”这样一个富有政治意味的名字还是立即遭到了英国以外几乎所有天文学家的一致反对。赫歇耳本人也私下承认，这个名字是不可能被普遍接受的。在新行星的命名竞赛中最终胜出的，是德国天文学家波德（Johann Elert Bode），他提议的名称是乌拉诺斯（Uranus），这是希腊神话中的天空之神，也是萨坦（土星）的父亲。这一名称之所以胜出，是由于它与太阳系其他行星的命名方式具有明显的传承关系：在其他行星的命名中，朱庇特（木星）是玛尔斯（火星）的父亲，萨坦（土星）是朱庇特（木星）的父亲，有这样一连串“父子关系”为后盾，在土星之外的行星以萨坦（土星）的父亲乌拉诺斯来命名无疑是顺理成章的
。在中文中，这一行星被称为天王星。
发现天王星的那年赫歇耳已经42岁，一生的旅途已经走过了一半。在后半生里，他放弃了音乐生涯，将全部的精力都投注在了星空里，孜孜不倦地继续自己的天文事业，并且作出了卓越的贡献。除发现天王星外，他还分别发现了土星及天王星的两颗卫星
。他在恒星天文学、双星系统及银河系结构等领域的研究都具有奠基意义。他所绘制的星图远比以往的任何同类星图都更全面，同时他还是最早发现红外辐射的科学家。
1822年8月25日，赫歇耳在自己工作了几十年的观星楼里离开了人世。他的一生只差3个月就满84岁，只差4个月就是他所发现的天王星绕太阳公转一圈的时间。