Став королевским астрономом, Гершель сумел также пристроить свою младшую сестру Каролину-Лукрецию. Она получила оплачиваемую должность ассистента-астронома и оказывала неоценимую помощь брату и в наблюдениях, и в кропотливой обработке результатов. Забегая вперед, скажем, что Каролина и сама сделала несколько серьезных открытий. Она обнаружила 8 новых комет и 14 туманностей. Можно сказать, что Каролина Гершель стала первой признанной научным обществом женщиной-астрономом. Ее избрали своим почетным членом Лондонское королевское астрономическое общество и Ирландская королевская академия.
Обосновавшись в Слоу, Гершель женился на Мэри Питт. В 1792 году у него родился сын, которого назвали Джоном. Что же касается научной деятельности Уильяма Гершеля, то в Слоу он взялся за создание нового телескопа рекордных размеров. Это был 1200-сантиметровый рефлектор с диаметром зеркала 147 см (рабочая площадь зеркала составляла 122 см). В этом телескопе Гершель применил разработанную им еще в 1776 году однозеркальную схему, или схему «прямого зрения», в которой отсутствует второе малое зеркало. Эта схема была придумана еще в первой половине XVII века, но продемонстрировала свою эффективность только в телескопах Гершеля. Новый телескоп теоретически был способен давать поистине фантастическое увеличение (до 7000 раз), правда, из-за атмосферных помех и других причин такая мощность на практике была неприменима. В самых точных своих наблюдениях ученый использовал 2500-кратное увеличение, хотя обычно обходился и гораздо более скромным. 1200-сантиметровый рефлектор Гершеля оставался самым совершенным на протяжении более чем полувека.
Араго пишет, что с переездом Гершеля в Слоу «…оканчивается его биография как человека вообще; начинается жизнь астронома, который выходил из обсерватории только для того, чтобы предоставить Королевскому обществу высокие результаты своих неусыпных исследований».
Достижения и открытия Уильяма Гершеля настолько многочисленны и разнообразны, что рассказывать о них удобней, разделив их на несколько сфер. Вначале обратим внимание на открытия, связанные с объектами Солнечной системы. Уже упомянутым нами открытием Урана Гершель не ограничился; вооружившись новым телескопом, он в 1787 году обнаружил два его спутника и установил у них обратное движение. В 1789 году он открыл два ближайших спутника Сатурна, довольно точно определил период вращения этой планеты и ее колец. Еще через год ученый обнаружил, что полярные шапки Марса изменяют свои размеры в зависимости от сезона. Даже этого было бы вполне достаточно, чтобы имя Гершеля было золотыми буквами вписано в историю астрономии. Но круг интересов исследователя был гораздо шире и в прямом, и в переносном смысле. Его пытливый взор был в основном обращен к неизмеримо более далеким небесным телам – звездам, и открытия в области Солнечной системы были, так сказать, только небольшим побочным результатом основных работ. Недаром Гершеля часто называют одним из основателей звездной астрономии.
Еще в 1783 году ученый, изучая движения 13 звезд, обнаружил и доказал собственное движение Солнца. Более того, Гершель весьма точно определил точку небесной сферы, в направлении которой движется Солнце. Для обозначения этой точки он ввел специальный термин «апекс» и указал, что находится она в созвездии Геркулеса.
Вторым важным направлением работы Гершеля в области звездной астрономии стало изучение двойных и кратных звезд – систем, которые обращаются вокруг общего центра масс под действием гравитационных сил. До Гершеля строились предположения о возможности существования таких систем, однако только он доказал их реальное существование. Но вернемся на некоторое время назад. Еще в 1778 году Гершель занялся интересной и популярной в то время астрономической проблемой – определением годичного параллакса звезд. Он использовал метод Галилея, который заключается в установке видимого смещения одной звезды относительно соседней слабой, то есть гораздо более далекой. Гершель взялся за работу с присущей ему методичностью. В 1782 и 1784 годах он издал два каталога двойных звезд. Но ученый не спешил делать теоретические выводы. Только в 1803 году он выступил в Лондонском королевском обществе с сообщением о том, что ему удалось обнаружить гравитационные связи для 50 пар звезд. В 1804 и 1805 годах Гершель выпустил еще две работы на эту тему. Также ей был посвящен последний труд ученого: каталог 145 двойных звезд, законченный в 1822 году. Всего он открыл около 800 двойных и кратных систем. В ряде случаев он также показал, что системы, ранее считавшиеся двойными, на самом деле состоят из трех или четырех компонентов.
Еще одна важнейшая область исследований Уильяма Гершеля – изучение туманностей. Уже в первый телескоп собственного изготовления он в 1774 году наблюдал туманность в созвездии Ориона. Гершель открыл грандиозное количество туманностей: до него было известно 103 таких объекта, а составленные им каталоги насчитывали в сумме более 2500. Но ученого интересовала и природа туманностей. После того как Галилей доказал, что туманность «Ясли» в созвездии Рака является звездным скоплением, считалось, что все подобные объекты имеют такое строение. Гершель также обнаружил, что многие туманности представляют собой скопления звезд. Их ученый назвал ложными. Он предположил, что многие из ложных туманностей – самостоятельные звездные системы, находящиеся за пределами Млечного пути. Но выяснилось, что существуют туманности, которые разложить на отдельные звезды невозможно, а состоят они из разреженного вещества, которое сам Гершель называл «светящейся жидкостью». Такие объекты ученый назвал истинными. Он предположил, что истинные туманности являются стадиями образования новых звезд. Мысль о том, что звезды подвержены изменениям и что постоянно происходит образование новых звезд, была поистине революционной и намного опередила свое время. Изучая туманности, Гершель также обнаружил, что их расположение неравномерно. Он отметил существование крупных скоплений, или «пластов» туманностей. Таким образом, ученый замахнулся на постижение тайн строения Вселенной. В 1953 году французский астроном Вокулер объединил несколько открытых Гершелем «пластов» туманностей в «Млечный путь галактик»: Местную Сверхгалактику, состоящую из десятков тысяч других галактик, в том числе и нашей. Изучал Уильям Гершель и взаимодействие между соседними туманностями. Он отметил 182 системы, состоящие из двух и более туманностей, и предположил, что между ними возможны физические связи. Примерно для половины из этих систем догадка Гершеля подтвердилась.
