于是只要没有演出，他们兄妹两人就爬上房顶的小平台观天。这里摆着一些简单的天文仪器。原来，当时人们只看见夜空中一条银河，但是并不能解释这种现象，赫歇尔决心弄清这条大河里所有的星星。他先买来了望远镜，但根本不能发现什么，他就自己磨镜片，制大型望远镜。他一生亲自磨了四百多块镜片，最大的直径竟达1.22米，小演奏员成了一代制镜宗师。为了弄清天上到底有多少颗星星，他把天空分成638个天区，一个区一个区地数，记录下来，标在图上，共数了117600颗。可以想象这是一项多么艰巨的工作。夜晚河汉茫茫，遥夜沉沉，城里人家的灯火也都渐渐熄去，微弱的星光之下，唯有这一对顽强的兄妹，在苍茫的星海里仔细地捕捞着什么。这时已交初冬，又是半夜，寒风吹过，钻领入袖，不要说手把着冰冷的仪器，就是袖手缩颈在屋顶上站一会儿也手僵足麻寒冷难忍。赫歇尔举镜观察片刻便随手拿起笔到小桌上的瓶子去蘸墨水，不想硬邦邦地蘸不上一点水来。他喊道：“卡罗琳，瓶里没有墨水了。”卡罗琳拿起瓶子一看，墨水已经冻成冰块。她将瓶子一把抓过掖在怀里说：“您先观察，它一会儿就会还原成水的。”赫歇尔回头见此情景，作为兄长，突然感到一阵心酸内疚。
正是：
莫道遥夜凉如水，兄妹情热可化冰。
却说赫歇尔兄妹无论怎样挤时间研究天文，但演出还是必须参加的。因为这是他们生活和研究费用的唯一来源。而且他们兄妹的演技早已闻名全城，一次不出场那些狂热的歌迷便感到十分扫兴，必得向乐团老板问个究竟。全城人只知有一对能拉能唱能舞的兄妹，却还不知他们在下台卸妆之后的艰辛。岁月流逝，赫歇尔已是四十出头的人，冬去春来，大地又恢复了它的温馨。
这天晚上演出结束后，兄妹两人照例稍事休息又上房观星。他们还沉浸在今天演出成功的幸福中，一边摆弄着望远镜，一边议论着今天的演出。
他们正这样你一言我一语地说着，突然赫歇尔大声喊道：“来了！一个陌生客闯进了我的望远镜，卡罗琳，你快来看！”
卡罗琳将眼睛贴在镜筒上，真的看到一颗过去从来没有见过的星，它行动迟缓，发光微弱，如果不细心是很容易忽略的。卡罗琳说：“这也许是一个很远很远的恒星吧？”
“这好办，如果是恒星，距离遥远，无论用多大的望远镜看，它的体积也应该是一样大才对。”
赫歇尔说着立即把他的十八般兵器都搬了出来。他先用能放大270倍的望远镜观察，再换上放大460倍的望远镜，这颗星体积有所增大，他又换上能放大930倍的望远镜，这星体积又更大了。看来不是恒星，但会不会是彗星呢？不会，因为连续观察并没有发现它的长尾巴。赫歇尔心里突突直跳，难道这会是太阳系里除金、木、水、火、土、地球以外的又一颗新星吗？难道像开普勒，像哈雷，像牛顿，这发现的机遇今天也轮到我的头上了吗？赫歇尔一把拉过卡罗琳的手说：“快记下这颗新星。我们成功了，就在今天晚上！”
天王星发现了！它距太阳约28亿公里，绕太阳公转一周要84年，这样太阳系的范围一下就扩大了一倍。不仅如此，经过观察，赫歇尔还第一个提出了银河系的模型，得出了银河系有限、银河系内恒星可数的结论。他正确地解释了银河系是一块凸透镜状的圆盘，太阳系处于其中心，我们沿透镜的长轴看去，全是灿烂的星群，沿两边的短轴看去，星星稀疏，露出了背后的黑色空间。所以我们看到的银河就呈带状。赫歇尔的伟大发现使他一举成名，英王乔治任命他为皇室天文学家，年俸两百英镑，他们兄妹再也不用靠卖艺来接济天文研究了。
赫歇尔后来也成了家，卡罗琳后来更加勤奋地工作，后来也多有发现，成了一位伟大的女天文学家。她却终身未嫁，一直活到98岁，在84岁时作为第一个女会员破格被英国皇家天文学会接收入会。
正是：
莫道女子无大才，最怕明珠甘自埋。
只要心比男儿烈，终教须眉拜裙钗。
