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宇宙膨胀背后的故事(8):哈勃打开的宇宙新视界

哈勃只比上篇中的主人翁之一沙普利小四岁,也是密苏里州的乡下人。与沙普利不同,哈勃的父亲是有稳定经济基础的文化人。哈勃经历了正规的中小学教育,学业一直优等,而且他还在体育场有所建树。高中时他曾在田径运动会上一举揽括七项冠军外加一个第三名。芝加哥大学给他提供奖学金,他也不负其众望,以1.88米的身高担任校篮球队中锋,连续三年夺冠。

和众多的天文学家相似,哈勃对天文的兴趣始于8岁的生日。那天他拿着外公送给他的一具自制天文望远镜看了一个通宵的星星。在芝加哥大学,哈勃听从父亲的忠告主修法学,但他放不下天文,便兼修了一些理科课程并以科学学士的学位毕业。

大学毕业后,哈勃向往英国牛津大学,经物理教授密立根一封热情洋溢的推荐信,帮助他如愿以偿地成为罗兹学者(Rhodes Scholar)。

三年的牛津生活给他最深刻的影响既不是法学也不在科学,而是品性习惯的大改变。他很快摒弃了与生俱来的美国中西部口音,操起一口纯正的牛津英语;他一丝不苟地穿着考究的制服,外面还披件大氅;他也会潜心地炮制一壶精致的下午茶。这些依然不够,他的嘴边还出现了一只从不离口的烟斗。其他来自美国的罗兹学者们颇为惊诧,把他叫做“假洋鬼子”。

哈勃因父亲病世赶回美国,作为长子承担起家庭责任。在这关键时刻,他爹当初的愿望只是竹篮打水一场空:哈勃没有谋职律师行业,只是“沦落”为中学代课老师。如此蹉跎一年后,他终于下定决心,返回芝加哥大学当研究生,终于由自己选择了天文专业。

芝加哥大学的耶基斯天文台有一个当时相当先进的61厘米口径望远镜,哈勃用它拍摄了大量星云照片。他发现其中一个星云的形状在变化,证明它应该离我们很近——正如沙普利所言,它处于银河之内。这个星云后来被称为“哈勃的变星云”(Hubble's Variable Nebula)。

威尔逊山天文台台长海尔没等他毕业就给他下了聘书。

他的博士论文题目是《暗淡星云的摄影研究》(Photographic Investigations of Faint Nebulae)。虽然他在望远镜前花费了数百个小时照相,论文却只有9页文字、8页数据表格,外加区区两张照片。因为他还没来得及动笔时,美国已经正式参与了第一次世界大战。哈勃匆匆敷衍了论文便投笔从戎,加入美国远征军(American Expeditionary Forces)。

虽然叫远征军,但他们却在美国本土驻扎了一年多才奔赴欧洲。这时一战已经进入尾声,他随军驻扎在巴黎,没有真正上过战场。一战结束后,哈勃继续在欧洲游荡,直到1919年才想起威尔逊山为他留的位置。回国后,在那年9月来到威尔逊山报到。

尚未离开威尔逊山的沙普利对这个不再有一点乡土气的老乡很不以为然。哈勃这时不仅叼着烟斗、一副英国绅士派头,还穿着戎装马裤、皮靴,身披硕大的斗篷,头上扣着贝雷帽。面对山上的一众书生,他居高临下地自我介绍是“哈勃少校”。

哈勃对沙普利也同样地看不顺眼。那时沙普利已经在星团研究上声誉斐然,不过三十出头他就已经是哈佛天文台所垂青的台长人选。但哈勃觉得沙普利只是在战争期间躲在后方摘到了本来可能会属于他哈勃的桃子。

不过,来得早不如来得巧。哈勃虽然因为战争耽误了两年多,却赶上了千载难逢的好时机:那座2.5米口径“胡克望远镜”在他到达一星期后正式投入使用。经过在小望远镜上一番练手、熟悉环境后,还是新手的哈勃因为海尔的偏袒获得了与山上其他老将平起平坐地共享这个巨型望远镜的资格。沙普利另谋高就之后,哈勃便更得心应手了。

1922年,哈勃在操作胡克望远镜

那年圣诞节前的平安夜,哈勃第一次操作这座傲视全球的大家伙,把它对准了他早已熟悉的那些暗淡的星云。

罗斯伯爵通过他的利维坦望远镜看到星云的涡旋形状已经是大半个世纪以前的事了,星云却依然还是那样的神秘,除了偶尔能看到那中间突然出现明亮的新星,星云还是连续一片的光云。

恰恰是作为利维坦继承者的胡克望远镜,在哈勃手下终于揭开了星云的面纱。

只要天气允许,哈勃便整晚整晚地拍摄星云的照片。这其实就是他博士论文的继续。在大望远镜帮助下,他看到星云并不都是涡旋,也有些是挺规矩的椭圆。按照星云的形状,他制作了一个分类方式。这个“哈勃分类体系”(Hubble Classification System)一直沿用至今。不过,他更希望捕捉到星云中的个体新星。在威尔逊山上,他没有弗莱明、坎农那样的行家里手“计算机”辅助,所有照片都必须他亲手冲洗、观察、测量、记录、归类。

哈勃制作的星云分类图

功夫不负有心人。在强大的望远镜和长期曝光的操作下,星云中肉眼看不见的新星在他的底片中接二连三地出现。最让他感兴趣的是几颗在仙女星云中发现的新星。那便是波斯天文学家苏菲曾经记录的“云一般的点”、(北半球)人类最早知道的星云。

哈勃是在1923年10月初的观测中发现仙女星云中的新星的。按照惯例,他在照片上将它们分别标记上“N”(nova)。当与天文台库存的照片对比时,他意外地发现其中一颗以前也出现过,因此并不是新星,而可能是时有时无的变星。这一发现让他兴奋无比,立刻在照片上把“N”字划掉,代之以加上感叹号的“VAR!”(variable)。

他的好运气还不止如此。在连续几个月跟踪拍摄之后,他明白这颗变星非同一般,正是一颗天文学家梦寐以求的造父变星。

1924年2月19日,还沉浸在兴奋中的哈勃给在哈佛的沙普利写了一封信,不带任何客套地开门见山道:

“亲爱的沙普利:你可能会有兴趣知道我已经在仙女星云中找到了一颗造父变星……”

他附上了一幅描述这颗星的光强变化曲线的图,其形状毋庸置疑地符合造父变星特征。那颗星的星光只有18等,极其微弱。但光强变化的周期长达31天。根据勒维特的“周光关系”,这么长的周期说明那其实是一颗(内在亮度)极其明亮的星星。与它的微弱的视觉亮度相比,表明它非常遥远。

哈勃1923年在仙女星云中发现的造父变星。左图:哈勃拍摄的仙女星云照片之一,上面有他做的标记;右图:哈勃随信寄给沙普利的变星光强变化曲线

沙普利在大辩论前已经确定了用“周光关系”测定造父变星距离的基准。这时哈勃用这把现成的尺子很轻松地就估计出仙女星云距离地球超过100万光年。而沙普利通过星团的测量发现银河比其他所有人想象得都更大,以至于大得就是整个宇宙时,他的银河也“不过”30万光年。一个100万光年之外的星云显然不可能处于他的银河“大星系”之内。

那么遥远的星云能在地球上肉眼可见,说明她本身的大小也巨大到足以与银河相比:一个类似于银河的“岛屿宇宙”。

所以,沙普利只寥寥地扫了一下哈勃的来信,便立刻领悟到他自己的宇宙已经完全被毁了。

1924年底,美国科学促进会在首都华盛顿举行为期六天的年度会议。美国天文学会也凑热闹,同时同地举行他们自己的年会。普林斯顿教授、沙普利当年的导师罗素几度给哈勃去信邀请,暗示他的论文肯定会赢得天文学会的年度大奖。

哈勃的发现在天文学家圈子中早已不胫而走,就连《纽约时报》也在那年11月23日发表了哈勃发现遥远宇宙的“传闻”。但哈勃一直却按兵不动,迟迟没有正式的论文出现。他诚惶诚恐,害怕自己的数据或推论会存在纰漏,依然躲在威尔逊山上拍摄更多的照片。他希望能够象柯蒂斯在大辩论中所坚持的——掌握“更多的数据”。

更多的数据也在持续地出现。不仅仅是仙女星云,他在其它更为暗淡、模糊的星云中也陆续发现了造父变星。在威尔逊山那些万籁俱寂的夜晚,哈勃几乎孤独地忙碌着。随着底片的积累,他那把丈量宇宙的尺子在浩瀚的广宇中持续并执着地向外延伸。

在罗素一而再,再而三的催促下,哈勃终于在最后一刻给他寄去了一篇论文稿。他自己依然留在威尔逊山,没有去东部赴会。

自托勒密开始,天文学家计时的一天都是从太阳当空的正午开始,到第二天的正午结束。这样对星空的仰望、记录不至于在午夜时中断。当1925年新年到来时,80多位美国天文学家与常人一样欢庆元旦,同时也把他们的“纪日”改为与日历同步——从午夜到午夜。这样,即使对于天文学家而言,正午也不再是新的一天到来的时刻。

正是1925年元旦的那个正午,天文学家和科学促进会的数学物理部成员济济一堂,在乔治华盛顿大学新建成的大礼堂里继续开会。罗素走上讲台,宣读了哈勃题为《涡旋星云中的造父变星》(Cepheids in Spiral Nebulae)的论文。哈勃报告说他已经在仙女星云中找到了12颗造父变星,在另一个星云里也发现了22颗,并且在其它一系列星云中看到了存在变星的迹象

不仅如此,他还能够清晰地看到星云的外缘由一颗颗可辨认的星星组成。星云不仅非常非常地遥远,也不是如沙普利猜测的那样由气体尘埃组成,而是与银河一样地群星璀璨——真真实实的“岛屿宇宙”。

从此,天文学又一次进入了一个新的时代。

柯蒂斯在那场大辩论之后,他离开了西海岸的利克天文台,到东部匹兹堡市的一个天文台担任台长。此时他正在会场,面对激动的同行,他却表现得颇为淡定。

柯蒂斯非常清楚哈勃这一发现的非凡意义。他后来在书中写道:“在人类思想历史上,很少形成过比这更伟大的概念:我们,不过是在自己星系中百千万个太阳之一的一个小卫星上生存的微不足道的生物——能够看到自己星系之外还有其它类似的星系。她们每个都有着几万光年的直径,像我们的一样有着几十亿个甚至更多的太阳。如此,我们的视线从50万光年穿越到几亿光年遥远的——那更广阔的宇宙。”

来源:程鹗 的博客

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