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《仰望星空》13 - 揭秘银河

13揭秘银河

来自科学有故事

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不过,这事哪有这么容易呢?赫歇尔必须收集到足够多的恒星自行资料。尽管赫歇尔拥有当时世界上最好的天文望远镜,可是它的观测精度与恒星的自行相比,又是小得可怜。因此,必须得把过去一代又一代天文学家编制的星表拿出来仔细地分析,逐一研究恒星的自行运动。到了1783年,赫歇尔正式向天文学界宣布:太阳正朝着武仙座方向运动。


不过,一直要到半个世纪后,阿哥朗德尔一下子拿出了390颗恒星的自行数据,明白无疑地证实了赫歇尔的结论,太阳的“本动”才得到了举世公认。这也是太阳中心说瓦解的导火索之一。


赫歇尔的另一个重大发现是“星云”。赫歇尔当年第一次在望远镜中看到它们时,他是真的以为这些是宇宙中的云——发光气体。可惜的是,限于赫歇尔的望远镜口径,他无法对星云的形状、结构做出进一步的深入发现。这个世界热切地期待着更大的望远镜,但更大的望远镜就意味着更巨大的金钱投入。


老赫歇尔去世的那一年,也就是1822年,在美丽的爱尔兰帕森城(今比尔城堡庄园),有一位22岁的伯爵公子威廉·帕森斯(William Parsons, 1800年 – 1867年)迷上了天文学。这位公子哥狂热地爱上了望远镜,等到他老爸过世后,他成为第三代罗斯伯爵时,他对望远镜的热爱有增无减。到他45岁那年,他建成了当时世界上最大的望远镜,1.8米口径的超级大炮。



图 位于爱尔兰的罗斯伯爵的大炮望远镜原址


在此后的整整72年中,无人能超越这个记录。有了这件神器,罗斯伯爵能看到当时世界上无人能看到的宇宙景观。只可惜这位伯爵老爷似乎制造望远镜的能力要远远大于天文观测的能力,他能被后世记住的成就仅仅是绘制了一副星云的素描像,这就是猎犬座旋涡星系M51。



图 罗斯伯爵手绘的M51星云


这唯一的成就意义重大,它使人类首次看清了星云的具体结构,这个结构如此复杂、精细,以至于让天文学家们开始怀疑它们根本不是宇宙中的气体云,而是某种天体或者天体的组合。正是罗斯伯爵的惊世杰作激发了许多天文学家对星云的探索兴趣。而星云,则成为了几十年后人类拓展宇宙观的关键之关键。



图 哈勃太空望远镜拍摄的猎犬座旋涡星系M51 图片来源:NASA官网


银河系揭秘


今天的人类已经知道了银河系是一个巨大的旋涡星系,从正面看,它是这样的:



图 银河系正面模拟图  图片来源:NASA官网


但是,人类得到这样的一副银河系的正确图像并不是一帆风顺的,中间走过弯路,也引起过大争论。


1906年,全世界各地的天文学家都收到一封来自荷兰天文学家卡普坦的倡议信,这封信的大致内容是建议全世界的天文学家联合起来,用赫歇尔的分天区的办法再“数”一次星星,详细记录他从天空中随机选出的206个天区中的所有恒星的亮度、视差、位置、视向速度等等参数。终于到了1922年,卡普坦向天文界宣布:他用统计分析的方法画出了银河系的形状。银河系是一个直径55,000万光年,厚11,000光年的透镜形状,太阳位于中心附近,距太阳越远,恒星数目越少。但由于未考虑到星际消光的影响,他得到的银河系大小仅为现在所知的一半左右,但是比英国著名天文学家威廉·赫歇尔给出的结果还是要大了9倍。


这就是历史上赫赫有名的“卡普坦”宇宙。不过,从卡普坦的研究方法上,我们就能看出一些缺陷,他用的是全世界各地的天文学家的数据,这些数据的准确性到底有多高?精度是否一致?这些根本性的问题,必然导致卡普坦的结论不够牢靠。


就在卡普坦醉心于统计汇总数据,勾勒银河系形状的那些年,在美国加州距洛杉矶32公里的威尔逊山上,一个巨大的工程项目正在悄悄地进行。1917年,口径达到2.5米的胡克望远镜在威尔逊山天文台安装完成,终于把占据世界第一宝座72年的罗斯伯爵的望远镜比了下去。这座天文台在今后的50多年中,将迎来一位又一位天文学巨星,做出一个又一个世人瞩目的伟大成就。沙普利正是这个传奇天文台迎来的第一批天文学家之一。他此时感兴趣的方向是球状星团——星空中的另一种有趣而神秘的天体。在夜空中有一些“恒星”在肉眼和小型天文望远镜中没有任何异状,可是在大型望远镜中,它们的真面目会让观测者大吃一惊,这些看上去像单个的恒星其实是由几万甚至几十万颗恒星聚集在一起组成的。



图 位于天蝎座的M80球状星团,拥有数十万颗恒星  图片来源:NASA官网


沙普利在对93个球状星团认真地观测统计后,发现一个有趣的现象,这93个球状星团的分布很不均匀,并不沿银河聚集,有些离银河很远,最有意思的是它们中的三分之一集中在只占天空2%面积的人马座内。沙普利从这个现象中得出的思考是:如果说太阳在银河中心(以下简称“银心”)的话,那么球状星团相对于银心的分布就是不对称的。这个结论怎么看都觉得不太对劲。这就是说,如果要让球状星团相对于银心是对称分布的,那只能让太阳不位于银河的中心了。于是,他画了一个银河草图:



在这幅图中,太阳的位置是在偏离银心的边缘位置上后世的天文学家认为,沙普利的这张草图是继哥白尼之后第二次人类中心说革命,在人类的思想史上有着重要的意义。沙普利本人估计没料到后人的评价会那么高,他看着图,心中只在想一个问题:这些球状星团离我们有多远呢?


在这里,我又不得不岔开一下话题,谈一下天文测距的相关知识。测量宇宙中任何一个天体与地球的距离,最直接的方法是三角测量法,也就是本书前文中一再提及的视差测定。但这个方法,只能测定不超过400光年的距离,再远就不行了,因为视差实在是太小了。为了测定更远的距离,天文学家们发展出了许多其它的方法。其中,准确度相对很高的一个方法是“造父变星”测距法。说到这里,请让我花点笔墨纪念一下身残志坚的英国青年古德里克,这个可怜但值得尊敬的孩子只活了22年,他是个聋哑人,但上帝为他打开了一扇窗,古德里克拥有一双超强的眼睛,年仅18岁的他仅凭一双肉眼,不借助任何望远镜和其他仪器,就测定了被称为魔星的英仙座β星的亮度变化周期为2天20小时49分 8 秒,不但准确得让人咂舌,还提出它是由一亮一暗两颗恒星组成的双星系统。在他22岁英年早逝前,他又发现了另外两颗著名的变星,仙王座δ(中文名造父一)和天琴座β(浙台二),其中以仙王座δ星为代表的本身光度就在变化的星星我们称之为“造父变星”。到了1908年,美国女天文学家李维特(Lieavitt)通过对造父变星的研究发现,造父变星的亮度和变星周期之间存在着数学关系,只要测定出了一颗造父变星的光变周期P,就能通过经验公式求出这颗星的绝对亮度值,然后再根据视亮度与距离的平方成反比的规律,测定出视星等,就能算出距离了。


因而,造父变星从此就成了天文测距的“量天尺”,有了它,沙普利就能测定出球状星团的距离。果然,沙普利在好多球状星团中发现了造父变星。他在测定了众多球状星团的距离后,提出银河系的直径是30万光年,厚3万光年,银心是在人马座方向,距离太阳5万光年。而我们今天知道银河系的直径是10到12万光年,也可能是15到18万光年,核球的厚度是1.5万光年,边缘厚3000 – 6000 光年,太阳到银心的距离是2.7万光年。沙普利的银河系总体结构是对的,但是各项数值差得比较大,后来人们发现他错误的原因在于搞错了造父变星的类型,并且他当时并不知道星际消光物质的存在,低估了视星等,使得他测得的距离都被大大地高估了。这个错误,使得当时的主流天文学界在很长一段时期内更垂青于卡普坦的模型。当时的天文学界思考最多的一个问题是:宇宙到底有多大?银河系是不是整个宇宙?正所谓江山代有才人出,长江后浪推前浪,又一个巨星即将登场,他将回答这两个有关宇宙的基本问题。



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