旅行到时空边缘：揭开仙女的迷人诱惑

2023-09-17 理论教育版权反馈

【摘要】：第13章“仙女”的媚眼“仙女”抛来的媚眼，把天文学家的视线勾引到河外星系宇宙尺度的大辩论18世纪中期，康德在林阴小道上漫步，思想在宇宙翱翔，领悟到宇宙中应该有无数的星系，星空里有一些云雾状天体，很可能是像银河系一样的巨大恒星集团，它们分布在浩瀚的宇宙太空里，就像大海里的一个个岛屿—宇宙岛。沙普利举证，1885年，一颗称为仙女S的新星在M31中央闪耀，亮度最大时和整个星云几乎一样亮。

第13章　“仙女”的媚眼

“仙女”抛来的媚眼，把天文学家的视线勾引到河外星系

宇宙尺度的大辩论

18世纪中期，康德在林阴小道上漫步，思想在宇宙翱翔，领悟到宇宙中应该有无数的星系，星空里有一些云雾状天体，很可能是像银河系一样的巨大恒星集团，它们分布在浩瀚的宇宙太空里，就像大海里的一个个岛屿—宇宙岛。

但在20世纪初的时候，天文学家们的看法依然分成两派，一派观点像康德，另一派则认为银河系就是全部的宇宙，所有天体都在银河系内。真相究竟是什么呢？1920年4月，美国天文界泰斗海耳举办了一场有关“宇宙尺度”的著名大辩论。辩题之一是，仙女座M31这样的星云，究竟是在银河系内还是银河系外。

仙女座很好辨认，秋天夜晚，有四颗亮星组成一个明显的四边形，它被称为飞马四边形。四边形东北角的星叫壁宿二，它和附近的奎宿九、天大将军一这三颗星排成近似一条直线，那是仙女座的主体。仙女座大星云M31位于奎宿九旁边不远，肉眼就可以看到，是夜空里最著名的星云之一。

大辩论有两个辩手参加，一个是沙普利，来自威尔逊山天文台，他刚刚建立起一个宏伟的大银河系模型，并豪迈地宣称，银河系就是全部宇宙。另一方是柯蒂斯，来自利克天文台，同时是一位优秀的演说家，精通拉丁语、希腊语和其他古代语言。柯蒂斯反对沙普利的观点，认为银河系是小的，只是无数宇宙岛之一。

沙普利举证，1885年，一颗称为仙女S的新星在M31中央闪耀，亮度最大时和整个星云几乎一样亮。如果仙女座大星云是遥远的星系，那么一颗仙女座S新星的亮度就和整个星系一样大，这是不可思议和荒谬的，这证明M31既不远也不大。

柯蒂斯举证，1917年，他观测到仙女座大星云内的12颗新星，它们比银河系内同类新星要暗得多，这表明它们要远许多，假定它们和银河系内的新星一样，那么仙女座大星云的距离将远在50万光年之外，远超沙普利那33万光年直径的银河系。

辩论结束的时候，沙普利和柯蒂斯都满怀信心地离开华盛顿，都认为自己取得了辩论的胜利，谁也没有说服谁。柯蒂斯及其支持者仍旧信奉一个较小的银河系，众多河外星系犹如一个个太空岛屿漂浮在茫茫宇宙大海之中。沙普利及其追随者仍然相信，银河系就是整个宇宙大海，M31那样的星云虽然众多，也不过是漂浮在大海边缘的暗淡星云。

彻底解决这场争论的希望，寄托在威尔逊山那台威力强劲的100英寸（2.54米）胡克望远镜上。

威尔逊山的功勋望远镜

威尔逊山天文台是现代天文学的圣地，几乎倾注了海耳全部的心血。早在1903年，海耳就在威尔逊山上支起帆布小床，躺在那里考察星空，他很快被那里的星星征服，决心筹建威尔逊山天文台。一年之内，海耳已说服华盛顿卡内基研究院捐款建设一个太阳观测台，接着是口径60英寸（1.52米）的望远镜，那已经是世界第一了，但海耳野心勃勃，想建造一台口径100英寸（2.54米）的。1906年，他说动洛杉矶的实业家胡克，为100英寸（2.54米）的镜面玻璃提供巨额经费—这台望远镜因此被命名为胡克望远镜；然后又说动慈善家卡内基给予惊人的1000万美元捐款。

镜面玻璃由法国的圣戈班工厂制造，重量超过5吨，装在轮船上漂过大西洋运抵美国东海岸，再横跨美洲大陆运到威尔逊山的光学车间。光学专家里奇仔细检验后声称这块玻璃没什么用处，因为在浇铸过程中，里面产生了无数微小的气泡，它们会使玻璃变得脆弱易碎。圣戈班工厂愿意自己出钱再造，结果浇铸了几次都不幸失败。

海耳非常郁闷，得了神经衰弱。玻璃弃置两年后，海耳无奈请另外的专家重新检验，结论却正好相反，这些气泡层不但不会使玻璃变脆，反而会加强它，玻璃完全可以使用，于是接下来工人花了5年时间来磨光玻璃表面。

1917年11月1日，望远镜建成开光。两年之后，胡克望远镜迎来了它的主人之一—哈勃。哈勃在芝加哥大学本科学的是数学和天文，后来到英国牛津大学学习法律，获文学学士学位，短暂地当了一段时间的律师，又去叶凯士天文台攻读天文，获得博士学位后到欧洲参加第一次世界大战，两年后以少校军衔退伍，被海耳以年薪1500美元聘请到威尔逊山天文台。

有一年多时间，哈勃和沙普利共同使用100英寸（2.54米）胡克望远镜。1920年这台望远镜的分配时间表是：在月亮最亮的那些夜晚，由光谱学家使用；弦月前后一段时间，由沙普利为首的几位天文学家使用；初一前后月亮最暗的那些天分配给哈勃。

拂却“仙女”的美意

沙普利此时的心已经不在威尔逊山，哈佛天文台的台长皮克林去世，空缺的台长位置对沙普利诱惑很大。1921年3月，沙普利离开威尔逊山去哈佛谋求台长职位，动身之前，观测助手提醒，有一些刚刚拍摄的仙女座大星云（M31）的底片需要复查，沙普利就把照相底片给了观测助手，观测助手把这些照片放进闪视比较仪里观察。这种仪器有左右两个置片台，放置待比较的两张底片，两张底片自动控制着按一定频率轮流进入视场。如果两张底片的星象完全一样，视场里的星象是稳定的。两张底片中有一个星移动位置或者亮度发生变化，视场里就会看到星象跳动或闪烁，天文学家们常用这种办法寻找变星或新天体。沙普利的观测助手发现，仙女座大星云里有闪烁现象，如同一眨一眨的眼神。仙女为什么眨眼睛呢？

这些闪烁的星点会不会是造父变星呢？如果是，那将确定表明仙女座大星云非常遥远，因为它们看起来明显比银河系里的造父变星暗得多，利用造父变星的周期光度关系，可以相当准确地确定它们的距离，而这正是沙普利最擅长的。观测助手用墨水标出闪烁的位置，想得到沙普利的确证。令人诧异的是，沙普利拿起照片看了一眼，然后平静地取出手帕，轻轻地擦拭，把那些墨水标记拭去，毫不理会仙女抛给自己的媚眼，匆匆奔赴自己心仪已久的哈佛天文台上任，威尔逊山的哈勃时代开始了。

天文学家的夜晚

哈勃和沙普利是来自密苏里的同乡，但彼此印象都很差。沙普利是一个和平主义者，哈勃却以军人身份为荣，在威尔逊山上还常常穿戴军人的衣着饰物，沙普利看着很不顺眼，哈勃讲话时矫揉造作的牛津口音也令他深感别扭。沙普利如日中天的知名度让哈勃感到巨大的阴影，他的离去让哈勃有一种云开雾散的感觉。

在海耳的严格管理下，威尔逊山天文台等级分明，秩序井然。下午6点，在冬天则是5点，晚餐的铃声准时响起，每一位就餐者进入餐厅，他们必须穿着外套打着领带，坐在属于自己的位置上。餐桌的餐巾上有一个套环，上面标注位置主人的名字—这些名字总在变动。当晚100英寸（2.54米）望远镜的观测者永远是首席，首席右边依次是观测助手、60英寸（1.52米）望远镜观测者等；首席左边，是太阳望远镜观测者、助手等。更远的地方，则是资历较浅地位较低的人，工作马甲可以表明他们的身份。在威尔逊山的第一年，哈勃总共有41天坐在首席。

晚饭后，天空渐渐黑暗，哈勃进入巨大的白色圆顶室，攀上长铁梯，登上安装望远镜的混凝土楼层，再经过几级台阶走上一个阳台样的平台，从这里再登上一段铁梯，来到观测平台，就像站在一艘大船舰桥上的船长，哈勃大声发出命令—时间、度数，观测助手则按指令操作望远镜。一切就绪后，哈勃便坐进目镜前的长弯椅里，不慌不忙地将烟斗装满，点着烟，灭掉剩下的灯光，让圆顶室内部留在一片黑暗之中，只漏下闪烁的点点星光。

随着时间的流逝，星星由于地球自转会偏向西方，望远镜需要不停地跟踪。100英寸（2.54米）望远镜虽然很精密，时间长了，也会出现误差，要么领先星体，要么落后。为了补偿，天文学家必须看着目镜中的星体，同时用手揿按控制面板上的按钮，使望远镜减速或加速，从而使星体保持在目镜十字丝的中央。

寒冷是最大的威胁，因为圆顶室的天窗是洞开着的。在最寒冷的夜里，天文学家的手指和脚趾都逐渐麻木，泪水甚至把观测者的睫毛完全冻结在目镜上。

一夜又一夜，寂静而孤独，时间随着遥远的朵朵星云流逝。哈勃有时会通过作诗来消磨时光，有时则哼唱流行歌曲。灿烂星空很容易激起人们对造物主的沉思冥想，哈勃自然也时不时地追寻宇宙创造者的思想。一位极度消沉的朋友曾问起他的信仰，哈勃婉转地回答：“世界比我大得太多，我不可能懂得它，但它是值得我信赖的。”

深夜之时会有夜宵，观测专家们会短暂放松一下，来到一个有暖气的小楼，默默地用餐，气氛非常安静，经常有麋鹿上到饭厅的台阶寻找食物，狐狸则在周边窜动。

破晓前是最困难的时候，令人麻木的寒冷和瞌睡会分散观测者的注意力。当星辰渐渐暗淡时，观测终于结束。按下开关，电动马达带动链条，随着一长串闷雷般的隆隆响声，圆顶被合上。天文学家从椅子上僵硬地直起身子，把底片装入手提箱，走下观测平台。

当下方山谷在曙光里逐渐显现之际，天文学家沿着仅现轮廓的松树小道走回宿舍。那真是一段轻松而愉悦的旅程，宇宙的奥秘就拎在手提箱里，它会展示出什么样的惊喜呢？一个昏暗的黎明，哈勃走在回宿舍的路上，一头狮子无声地出现在他面前，两只眼睛放出幽幽的光，直盯着哈勃看。哈勃立即怔住了，大脑一片空白，一动也不能动。一小会儿之后，狮子缓慢地转过身，溜进了密林里。

“仙女”之约

1923年10月4日夜晚，天气不是太好，哈勃把胡克望远镜锁定在仙女座大星云的旋臂上，曝光了40分钟。尽管条件不利，仙女座星云的底片上还是显示出一个“可疑”的新星。这激起了哈勃的好奇，第二天夜晚他重复了前一夜的观测，并增加了5分钟曝光时间。那夜的天气好了许多，命运注定这张编号为H335H的底片将成为哈勃最著名的底片，它证实了这颗可疑的新星。哈勃进一步检查底片，又发现两颗新星。这天是他本月当班的最后一夜，第二天，他怀着发现“三胞胎”的喜悦下了山。

一回到办公室，哈勃便找出天文台底片档案进行比对。在闪视比较仪的视场里，哈勃激动地看到了一闪一闪的星光，仿佛是仙女抛出的妩媚眼神，令哈勃神魂颠倒—那是造父变星！哈勃绘出这颗星的光变曲线，测出其光变周期是31.415天，根据沙普利研究的造父变星测量距离技术，哈勃发现这颗恒星离地球约有90万光年，这是沙普利宣称的宇宙直径的三倍。毫无疑问，仙女座大星云是银河系之外的另一个恒星帝国。

自从读懂仙女的媚眼，哈勃在威尔逊山上频频和仙女约会。仙女也频送秋波，把自己的惊天身世透露给哈勃。1924年2月下旬，沙普利收到了一封来自哈勃的信，如同晴天霹雳：“您将会感兴趣地听到，我已在仙女座星云（M31）里发现了一颗造父变星。这个季节只要天气许可，我就跟踪这个星云。在最近5个月里，我已捕捉到9颗新星和2颗变星。”“我有一种感觉，仔细检查长曝光底片将会发现更多的变星。总而言之，下个季节将是丰收的季节，迎来的将是预期的仪式和庆典。”

沙普利倍感惆怅与失落，如果他当年留在威尔逊山，这些伟大的发现也许就没有哈勃的份了。

“宇宙岛”的争论平息了，一个超乎所有古人想象的大宇宙呈现在人们面前。康德的光辉思想，历经近200年的纷争和曲折，最终得到证实。银河系之外，是更为广阔的世界，有无穷无尽的星系分布在无垠的空间大海里。

仙女座河外星系（M31），银河系的邻居。

旅行到时空边缘：揭开仙女的迷人诱惑

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