윌리엄 허셜

어린 시절과 음악활동

허셜은 독일 하노버에서 10명의 자녀 중 1명으로 태어났다. 그의 아버지는 하노버 군악단에서 오보에 연주자로 활동하고 있었다. 1756년에 빌헬름과 그의 형제인 제이콥이 오보에 연주자로 있던 하노버 경비 연대가 잉글랜드로 발령받았는데, 이 때 대영제국과 하노버는 조지 2세의 통치를 받고 있었다. 그리고 프랑스와 전쟁이 일어날 조짐이 보일 때 이 경비 연대는 하노버를 지키기 위해 잉글랜드에서 소환되었다. 하스텐벡 전투에서 패배한 후, 허셜의 아버지는 1757년 말에 피난처를 찾기 위해 잉글랜드로 그의 두 아들을 보냈다, 비록 그의 형인 제이콥은 하노버 군단에서 해고되었지만, 빌헬름은 탈영한 죄를 사면받았다. 이 때 19살이었던 빌헬름은 영어를 잘하는 학생이었고, 잉글랜드에서 그의 영어 이름을 프레더릭 윌리엄 허셜(Frederick William Herschel)이라 지었다. 오보에 뿐만 아니라, 그는 첼로와 하프시코드, 그리고 나중에는 오르간까지 연주할 수 있었다. 그는 교회 음악 뿐 아니라 24개의 교향곡과 많은 협주곡들을 포함해서 수많은 곡을 작곡했다. 
 허셜은 찰스 에비슨(Charles Avison)이 1761년에 그를 뉴캐슬 오케스트라의 제 1바이올린 솔리스트로 영입할 때 선덜랜드로 이주했다. 또한, 그는 더럼주에서 1761년 4월 20일에 교향곡 8번 C단조를 쓰기도 했으며, 1760년부터 1761년까지 더럼 군단의 리더였다. 뉴캐슬에서의 시절 이후에, 그는 리즈와 성 요한 침례 교회(St John the Baptist)의 제1 오르간 연주자였던 핼리팩스로 갔다. 그는 1766년에 옥타곤 예배당의 오르간 연주자가 되었는데, 1767년 1월 1일에 그의 콘서트를 열었다. 오르간이 아직 불완전했기 때문에, 그는 바이올린 교향곡, 오보에 교향곡, 그리고 하프시코드 소나타 등을 포함은 그 자신의 곡들을 연주하면서 그의 다재다능함을 뽐냈다. 오르간은 1767년 10월에 완성되었다.

천문학

허셜의 음악활동은 그를 수학과 렌즈에 대한 흥미를 가지게 만들었다. 그의 천문학에 대한 관심은 영국 왕립 천문학자인 네빌 마스켈린(Nevil Maskelyne)을 만난 이후부터 커져갔다. 그는 자신만의 반사 망원경을 만들기 시작했고, 하루에 16시간 이상을 청동 주경을 깎고 닦는데 몰두했다. 그는 1773년 3월에 행성들과 별들을 보기 시작했고, 1774년 3월 1일에는 토성고리와 오리온 대성운(M 42)의 관찰한 것을 기록한 것으로 천문학 논문을 쓰기 시작했다.

쌍성

허셜의 초기 관측은 눈으로 보기에 매우 가까이 있는 쌍성을 찾는 데에 집중했다. 그 시대의 천문학자들은 이 별들의 분명한 분리와 상대적인 위치의 시간에 따른 변화들이 그들의 분리에 있어 지구로부터의 거리에 따른 시차 이동으로 인한 별들의 운동에 대한 증거를 제시할 수 있다고 기대했다(이 방법은 갈릴레오 갈릴레이가 처음 제안했다). 뉴 킹스가에 있는 그의 집 뒤뜰에서 6.2인치(160mm) 구경(口徑), 7피트(2.1m) 초점거리를 가진 뉴턴식 망원경으로 1779년 10월에, 허셜은 1792년까지 새롭게 발견된 것들을 가지고 천상의 모든 별 중에 그러한 별이 있는지 체계적으로 찾기 시작했다. 그는 곧 예상했던 것보다 많은 쌍성(雙星)과 연성(連星)들을 발견했고, 이들의 상대적인 위치를 정밀하게 측정하면서 2개의 카탈로그로 편집했다. 1782년(269개 시스템)과 1784년(434개 시스템)에 런던 왕립 학회에 제출되었다. 1783년 이후 새롭게 발견된 것들로 이루어진 세 번째 카탈로그(145개 시스템)는 1821년에 출판되었다.1797년에 허셜은 그 많은 시스템들을 다시 측정했고, 지구의 궤도로 인한 시차로부터 기인하지 않을 수 있는 상대적 위치의 변화들을 발견했다. 그는 그 두 개의 별들이 상호적인 중력 인력하에서 공전하는 '쌍성계'라는 가정을 발표하기 위해서 1802년까지 기다렸고, 1803년에 "Account of the Changes that have happened, during the last Twenty-five Years, in the relative Situation of Double-stars; with an Investigation of the Cause to which they are owing."라는 그의 책에서 확인시켰다. 그는 총 800개 이상의 확인된 쌍성, 연성 시스템을 발견했고, 그것들 중 거의 모두는 시각적인 쌍성들이 아니라 물리적인 쌍성들이었다. 그의 이론적, 관측적 업적들은 현대 이중성 천문학의 기초를 마련했다.

천왕성

1781년 3월, 쌍성에 대한 연구를 하고 있을 때, 허셜은 nonstellar disk로 추정되는 한 물체를 발견했다. 허셜은 처음에 그것이 혜성이나 별일 것이라고 생각했다. 그는 그 물체에 대해 더 많은 관찰을 하였고, 러시아의 학술위원인 앤더스 렉셀(Anders Lexell)에 의해 궤도가 계산된 후 그것이 행성일 가능성을 발견했다. 허셜은 그 물체가 토성 너머의 행성일 것이 틀림없다고 생각했다. 그는 그가 발견한 새로운 행성을, 조지 3세의 이름을 따서-그에게 호의를 가져왔지만 그다지 마음에 들지는 않았던- "조지언 스타(Georgian star)"로 지었다. 그러나 되도록이면 영국 왕에 대해 언급하지 않으려는 프랑스에서는, 그 행성은 "천왕성"라는 국제적인 이름이 생기기 전까지 '허셜'로 알려져 있었다. 같은 년에, 허셜은 코플리 메달을 수여받았고, 왕립 학회의 일원으로 선출되었다. 1782년에 그는 "왕의 직속 천문학자(The King’s Astronomer)"라는 칭호를 받았다. 그와 그의 여동생은 1782년 8월 1일에 대칫(Datchet)으로로 나중에 이사를 하였다. 그는 계속 망원경을 만드는 일을 하였고, 국제적인 명성을 얻게 되어 영국과 유럽대륙의 천문학자들에게 60개가 넘는 반사경을 팔 수 있었다.

천문학 연구

1782년부터 1802년까지 중, 집중적으로 1783년부터 1790년까지 허셜은 2개의 610cm의 초점거리와, 30cm와 47cm 의 구멍이 있는 망원경으로 심원천체와 nonstellar objects에 관한 체계적인 조사를 하였다. 복제됐거나 '잃어버린' 입수를 제외하고, 허셜은 2400개가 넘는 물체들을 발견했고, 그것들을 성운이라고 정의했다.(당시 성운은 에드윈 허블이 은하를 은하계 밖의 천체라고 정의하기 전까지는, 시각적으로 널리 퍼지거나 분산되어 있는 우리 은하 너머의 천체들을 가리켰다.)
허셜은 그의 발견들을 3개의 목록으로 나누어 출판했다: Catalogue of One Thousand New Nebulae and Clusters of Stars (1786), Catalogue of a Second Thousand New Nebulae and Clusters of Stars (1789) 와Catalogue of 500 New Nebulae (1802). 그리고, 그는 그가 발견한 것들을 여덟 개의 항목으로 분류했다: (I) bright nebulae, (II) faint nebulae, (III) very faint nebulae, (IV) planetary nebulae, (V) very large nebulae, (VI) very compressed and rich clusters of stars, (VII) compressed clusters of small and large [faint and bright] stars, 와 (VIII) coarsely scattered clusters of stars. 허셜이 발견한 것들은 캐롤라인 허셜과 그의 아들 존 허셜에 의해 더 보충되었고, 그것은 그의 아들에 의해 General Catalogue of Nebulae and Clusters로 출판되었다. 이 항목은 나중에 존 드레이어(Jogn Dreyer)에 의해 편집되었는데, 많은 다른 19세기의 천문학자들이 발견한 사실들까지 보충되어 1888년에 New General Catalogue로 출판되었다. NGC방식은 아직까지도 천체의 주요 지형지물을 분류하는데 가장 많이 쓰이는 방식이다.

여동생 캐롤라인 허셜과의 연구

1783년에 그는 그의 여동생 캐롤라인에게 망원경을 주었고, 그녀는 주로 혜성을 중심으로 그녀 스스로 천문학적 발견을 하기 시작했다. 그녀는 8개의 혜성, 11개의 성운을 발견했고, 그녀의 오빠의 제안에 의해, 플램스티드가 한, 별들의 위치를 구체화하는 작업을 수정하고, 보완했다. 이 작업은 British Catalogue of Stars로 출판되었다. 그녀는 이 작업 덕분에 왕립 천문학 학회로부터 명예 훈장을 받았다. 또, 그녀는 그녀의 오빠의 옆에서 오빠가 망원경을 통해 관찰하고 있을 때 필기를 하며 계속 오빠의 조수 역할을 하였다.
1785년 6월에, 축축한 환경 때문에 그와 캐롤라인은 올드 윈저의 클레이홀로 이사하였다. 1786년에 그들은 슬로우의 윈저 로드에 있는 새로운 주택으로 이사했다. 그는 죽기 전까지 계속 그 주택에서 살았는데, 이곳은 나중에 Observatory House로 알려지게 되었다. 이 건물은 현존하지 않는다.
1788년 5월 7일, 그는 과부 매리 핏과 성 로렌스 교회에서 결혼했다. 그 후 그와 그의 여동생은 따로 생활했지만, 캐롤라인은 계속해서 그의 조수 역할을 해 주었다.

허셜의 망원경들

윌리엄 허셜은 약 400개 이상의 망원경을 만들었다. 그 중 가장 크고 유명한 반사 망원경은 1.26m의 직경을 가진 거울과 12m의 초점거리를 가졌다. 당시의 검경(檢鏡) 거울은 열악한 반사율을 가지고 있었기 때문에, 허셜은 기존의 뉴턴식 반사 망원경에서 사선으로 놓인 작은 거울을 제거하고, 대신 직접 디자인한 주경(宙鏡)을 기울여서 상을 직접적으로 관찰할 수 있도록 하였다. 이러한 허셜의 망원경 디자인은 후에 허셜 망원경으로 불리게 되었다. 1789년 8월 28일은 허셜이 자신이 만든 망원경으로 관측을 시도한 첫날밤이었다. 그 밤에 허셜은 토성의 새 위성을 발견하였다. 그리고 한 달 뒤, 허셜은 토성의 두 번째 위성도 발견하였다. 40피트 망원경은 굉장히 무겁고 성능 좋은 망원경이었으나, 대부분의 허셜의 연구는 다른 18인치 망원경에 의해 이루어졌다. 허셜은 망원경의 조리개가 비어 있을수록 더 높은 각도 분해능을 갖는데 도움이 된다는 사실을 발견했는데, 이것은 후에 천문학에서 간섭 측정을 통해 상을 얻는 기술의 중요한 밑바탕이 되었다.(특히, Aperture Masking Interferometry와 Hypertelescope 에 연관되어 있다.)

그 외의 발견

그 후, 허셜은 토성의 두 위성인 미마스와 엔켈라두스를 발견하였고, 천왕성의 두 위성인 티타니아와 오베론을 발견하였다. 이 위성들의 이름을 지은 것은 허셜이 아니었다. 이 위성들은 허셜이 사망한 후에 아들 존에 의해 1847년에서 1852년 사이 즈음에 명명되었다.
최근에, 스튜어트 이브스(Stuart Eves) 박사는 허셜이 천왕성의 고리를 발견했다는 증거를 발견하기도 했다.
허셜은 화성의 자전축 기울기를 측정하였고, 지오반니 도메니코 카시니(1666)와 크리스티안 하위헌스(1672)에 의해 발견된 화성 양극에 덮인 얼음이 계절에 따라 변한다는 것을 발견하였다.
별의 고유운동을 연구하는 중에, 허셜은 태양계 자체가 우주에서 이동하고 있다는 사실을 처음으로 인지했으며 그 이동의 대략적인 방향을 알아냈다. 그는 은하수의 구조에 대해 연구하여, 디스크와 같은 형태라고 결론지었다.
1802년, (Heinrich Olbers가 그 해 3월 두 번째 소행성 팔라스를 발견한 직후) 허셜은 별과 같다는 의미의 "asteroid"(소행성) 이라는 단어를 만들어서, (asteroeides 라는 그리스어에서 유래하였는데, 여기서 aster는 “별”, -eidos는 “형태, 모양”을 뜻함) 별과 같이 보이는 거대 행성의 위성들과 소행성을 표현하는 데 썼다. 그러나 1850년, "asteroid"는 특정 소행성들을 표현하는 데에만 쓰이게 되었다.
허셜은 태양 활동과 지구의 기후에 관해 연관성을 찾으려고 노력하던 중에, 당시 직접적인 측정법이 없었기 때문에 밀의 가격에 대한 기록들을 수집하였다. 그는 밀의 가격은 곡물의 수확과 관련이 있고, 그것은 그 해의 날씨와 관련이 있다고 생각하였다. 이러한 허셜의 시도는 밀의 가격 기록 외에 태양 활동에 대한 관측 자료가 충분하지 못해서 성공하지 못했으나, 이러한 관찰 기술은 후대의 발견에 큰 도움이 되었다.
허셜은 지대하고 중요한 과학적 발견에도 불구하고 직관적으로 추측하는 행위를 싫어하지 않았다. 특히, 그는 모든 행성과 태양에 생명체가 산다고 믿었다. 그는 태양의 뜨거운 대기로부터 보호받는 고체의 표면이 태양에 있다고 믿었고, 그 위의 생명체들은 괴상한 환경에 적응하여 엄청나게 큰 머리를 가지고 있다고 믿었다. 그가 그들의 머리가 클 것이라고 생각한 이유는 그가 계산에 의해 그러한 환경에서 보통 크기의 머리는 분명히 터질 것이라고 믿었기 때문이었다. 그가 태양에 생명체가 존재할 것이라고 믿게 된 근본적인 이유는 태양의 흑점들이 움직이는 것을 관찰하였기 때문이었다.

햇빛 안의 적외선의 발견

1800년 2월 11일에 허셜은 여러가지 필터로 해의 흑점들을 관찰하는 실험을 하였다. 빨간색 필터를 쓸 때 허셜은 많은 양의 열이 발생했다는 것을 볼 수 있었다. 또, 허셜은 햇빛을 프리즘안에 통과시켜 가시광선의 빨간 부분보다 조금 더 나간 부분을 온도계로 재서, 햇빛에서 적외선이 있다는 것을 발견했다. 온도계는 사실 실험할 당시 방의 기온을 재는데 쓰이려던 것이었다. 허셜은 온도계가 가시광선보다 더 높은 온도를 표시했던것에 놀라워했다. 후에 실험을 통해 허셜은 어떤 안 보이지 않는 빛이 가시광선 말고도 있다는 결론을 내렸다.

생물

허셜은 현미경을 이용해서 식물이면 가지고 있어야하는 세포벽이 없다는 근거로, 그 당시 식물로 알려진 산호가 식물이 아닌 동물이라는 것을 알아냈다.

가족과 죽음

윌리엄 허셜과 그의 부인 메리는 존이라는 아들이 있었다. 존은 1792년 3월 7일에 Observatory house에서 태어났다. 허셜은 1813년에 스웨덴 왕립 과학 학회의 외국 회원으로 뽑혔다. 1816년에는 섭정왕태자(Prince Regent)가 허셜한테 Knight of the Royal Geulphic Order이라는 기사작위를 내렸다. 그렇게 그는 'Sir'이라는 경칭을 갖게 되었다. 1820년에는 런던 천문 학회를 설립하는데 도움을 주어, 1831년에는 왕실 칙허장을 받아 왕립 천문 학회의 일원이 되었다.
1822년 8월 25일에 허셜은 Observatory House, Windsor Road, Slough에서 죽었다. 그는 지금 성 로렌스 교회에 묻혀있다. 그의 아들 존 허셜도 유명한 천문학자가 되었다. 윌리엄의 형제 중 알렉산더 허셜은 영국으로 이민을 가서 그의 여동생 캐롤라인과 조카 존과 가까운 곳에 살았다. 캐롤라인은 그의 형제가 죽고 하노버, 독일로 다시 돌아왔다. 캐롤라인은 1848년 1월 9일에 죽었다.
윌리엄 허셜의 집은 현재 허셜 천문학 박물관으로 바뀌어 보존되어 있다.

기념물

허셜은 일생의 대부분을 고향 슬라우에서 지냈으며, 이 곳의 세인트 로렌스 교회의 탑 밑에 묻혔다. 허셜은 지금까지도 마을에서 많은 존경을 받고 있으며, 마을에는 허셜을 기리는 기념물들이 있다. 2011년에는 마을의 중심에 새로운 버스 역을 만들었는데, 이 버스 역의 디자인은 허셜의 적외선 실험에서 비롯되었다고 한다. 마을의 백화점인 '디 업저버토리'도 그를 기리기 위한 것 중 하나이다.