星系四散：《旅行到时空边缘》

第16章　四散奔逃的星系

银河系好像是宇宙的重灾区，遥远的河外星系唯恐避之不及

马车夫与观测学家

20世纪20年代的时候，哈勃在威尔逊山可谓如鱼得水。他愉快地驾驭着那台100英寸（2.54米）巨无霸—胡克望远镜，在星云的大海里自由远航，辅助他的是得力助手赫马森。

赫马森完全是半路出家，他比哈勃小两岁，出生在一个普通家庭。14岁时赫马森去威尔逊山参加夏令营，虽然天文台刚刚开始筹建，一片狼藉，赫马森却再也不愿返回学校了。他作为天文台旅馆的一名勤杂工开始了自己的新生活，打扫卫生，照料牲畜。

1908年到1910年间，20岁不到的赫马森成了一个赶着驴车运货的人，往返于威尔逊山和当地小镇谢拉马德雷，那时候建筑材料和仪器部件主要用这种方式运上山。

天文台首席电气工程师多德有一个女儿海伦和赫马森同岁，每当驴子沿着山顶的崎岖小道从天文台越过深谷时，海伦就会专注地倾听赫马森吆喝驴子的声音。1911年，赫马森和海伦在庆祝20岁生日后不久结了婚。

赫马森发现有一头狮子窜到天文台附近，享用他岳父的山羊，他跟踪这头巨兽，还安装了一个大钢夹子。第二天早晨，他手持猎枪赶到那里，发现空无一物。他抬起头，发现狮子正愤怒地盯着自己，要猛扑下来。赫马森下意识地举起了猎枪，子弹打在狮子瞪大的双眼之间，狮子倒在他脚旁。赫马森扛着狮子，在众人惊诧不已的目光里回到天文台。从此，他获得了“美洲狮屠夫”的称号，同时也成了天文台的看门人。

赫马森抓住近水楼台的机会，很快能够娴熟地操作望远镜，这引起了沙普利的注意，赫马森开始给沙普利当观测助手。沙普利又把赫马森推荐给台长海耳，这位只上过八年级的观测助手很快被提升为正式职员，后来又晋升为助理天文学家。

哈勃来到威尔逊山后，赫马森成为他的搭档。赫马森非凡的望远镜操作技能和耐心细致的工作态度赢得了哈勃的尊重，尤其是赫马森看待望远镜的神情，100英寸（2.54米）望远镜在赫马森眼里简直就是神，容不得丝毫亵渎。

赫马森对哈勃也有非常好的印象。一个暴风雨之夜，赫马森被叫去面见哈勃，哈勃表情严肃地询问赫马森昨晚早些时候在哪里。赫马森吓了一跳，那时他因为闲着无聊，和几个人打扑克牌，这是严格的海耳不容许的，如果汇报上去，他很可能被解雇，但赫马森不愿说谎，坦承了此事。哈勃接下来问赫马森，自己以后能不能也加入玩几手？就这样，他们成了朋友。

哈勃与赫马森搭档，驾驭着100英寸（2.54米）胡克号望远镜，在波涛汹涌的星云大海中扬帆远航。哈勃站在瞭望台上，赫马森为其掌舵。哈勃对星空极为熟悉，银河内的气体星云以及河外星系的分布了如指掌，指引望远镜伸向夜空之时，如同领航员引领大船通过变幻莫测的激流和险滩一样，沉着而冷静。随着哈勃把距离标尺一步步外推，胡克号望远镜也一步步地深入到更深远的太空。

哈勃和赫马森的工作，将揭示出宇宙最重大的秘密。具体来说，他们要做的主要是下面两个工作：

一是拍摄星系的光谱；

二是测算星系的距离；

然后分析光谱上那一根根黑色的线条是如何随着距离变化的。

泄露天机的光谱线

经常有人有疑问，天体那么遥远，天文学家们是如何得知它的信息的？几乎所有的信息，都来自天体的光谱线。

早在1814年，德国物理学家夫琅和费就发现，太阳光通过三棱镜后形成的绚丽光带里，清晰地呈现许多暗的线条，这些暗线有粗有细，间距有大有小，数量有700条之多，简直就是一个复杂的激光条码！

光谱线是什么？它们就是原子的指纹！

光是由原子发出的，每一个原子就像一个小小的无线电发射器，我们看到的光就是原子发出的电磁波。因为原子的能量是量子化的，每一种原子只能发出特定波长的光线，这些特定波长的光线就形成了光谱线。所以，光谱线是元素的特征，每一种元素都有一组独特的光谱线，就像每一个人有一组独特的指纹一样，人们通过辨认光谱线就可以鉴定出其所对应的特定元素。

比如钠原子会发出589.0纳米和589.6纳米的光，它们形成了两条挨得很近的双黄线（上图中的D双线），如果在光波中找到这样一对双黄线，就可以确定光的来源中有钠元素。

19世纪法国哲学家孔德曾经悲观地写道：“我们只能远远地靠目视研究恒星……恒星的化学组成是人类绝对不能得到的知识。”然而孔德去世没多久，1859年，天文学家们就利用光谱化验出了太阳上的钠元素，后来更是拍摄到了太阳的24000多条光谱线，证认出太阳上有92种元素，和地球的组成元素完全相同。

天文学家拍摄遥远恒星的光谱，发现它们和太阳非常相似，元素组成和含量都差不多。进而整个宇宙都分析下来，发现其组成元素也没有超出这92种。

亚里士多德曾认为，大地由土、水、气、火四种元素构成，天体则是由第五种不同的元素—以太构成。现在人们知道，组成天体和大地的物质完全一样，天上地下并无二致，古代天尊地卑思想的物质基础彻底消失。

光谱线透露的信息是全方位的，除了元素组成及含量外，还有磁场、温度、运动速度等，看似缥缈虚无的星光里隐藏着无穷的天机。

多普勒效应

天文学家们常常发现，恒星光谱线的波长和地面实验室光谱线波长相比，有一种系统的差异，不是偏短（蓝移），就是偏长（红移）。星光是一种电磁波，它的波长为什么会变化呢？

容易联想到多普勒效应。比如在站台上，一列火车快速驶过，它驶来的时候声音越来越尖锐，驶离时则越来越低沉，这就是声波的多普勒效应。声波在空气中的传播速度是一定的，当火车驶来时，声音波长由于声源的移近而变短，频率变高，声音越来越尖锐；当火车驶离时，声音波长由于声源远去而变长，频率变低，声音越来越低沉。

光波具有同样的性质。光在真空中的传播速度是一定的，当光源远离时，接收到的光会因为光源远离波长增加，频率降低，所有谱线就会整体向红端移动，这称为红移；当光源靠近时，接收到的光的波长会因为光源的靠近而减小，频率会增加，所有的谱线就会整体向蓝端移动，这叫蓝移。

于是，天文学家们只要测量出天体谱线的红移或蓝移量，就可以知道这个天体的运动速度，这个速度是沿视线方向的，称为视向速度。大多数恒星的视向速度小，不到每秒30公里，少数恒星的视向速度超过每秒200公里。武仙座VX星以每秒405公里的速度向我们飞奔而来，天鸽座BD星则以500公里每秒的速度远离我们而去，它们分别是恒星蓝移和红移的佼佼者。

总体来说，红移的恒星和蓝移的恒星数量是差不多的。

星系红移

可是20世纪初的时候，美国罗威尔天文台的斯里弗却发现，星系的光谱线一边倒地几乎全部呈现红移。

斯里弗是一位来自印第安纳州的农民子弟，总是正经八百的派头，即使在黑暗之中单独一人观测望远镜时，也穿着笔挺的西装并完美地打着领结。斯里弗先是花了10年时间观测大行星，使自己的技术臻于精湛，然后开始观测星云—那时候星系也叫星云。

1912年9月17日，斯里弗把装有摄谱仪和照相机的望远镜对准仙女座大星云M31，得到的光谱显示，M31呈现蓝移，正以每秒300公里的速度向地球飞奔过来。接着他又拍摄了40多个旋涡形的星云，得到的结果却很不可思议。与仙女座大星云不同，大多数旋涡星云的光谱呈现红移，表明它们在远离地球而去。根据光谱线红移量的大小，可以测量出运动速度，结果是惊人的，这些太空中的小旋涡以超过每秒1000公里的速度飞驰着远离地球。那时候天文学家还不知道这些小小的旋涡星云到底是什么，当然更不知道它们为什么要纷纷远离。

罗威尔天文台的24英寸（60.96厘米）望远镜聚光能力有限，不能深入到更遥远的太空。面对望远镜视场里那些越来越小、越来越暗，因而也可能是越来越远的旋涡形云斑，斯里弗感到力不从心。在为旋涡星云的视向速度顽强奋斗了15年之后，最终在1926年，斯里弗无奈地放弃了这项工作。

在星云的大海远航

威尔逊山的100英寸（2.54米）胡克望远镜比罗威尔天文台的望远镜威力强大得多，哈勃和赫马森驾驭着它，开始在星云世界自由远航。

赫马森负责照相，他把起点放在了斯里弗的终点之外，他挑选了一个距离远得斯里弗不可能拍摄的星云—它足够暗，暗示了足够远。曝光底片花了两个寒冷的夜晚。赫马森很快将放大镜定格在星云中钙离子产生的谱线上，光谱虽然很暗弱，但是一根根谱线还是泄露了秘密，它们有明显的红移。哈勃计算出它远离的速度是每秒3000公里，比斯里弗获得的最大数值还大一倍，他们激动不已。

胡克号继续向宇宙深处进发。赫马森对室女座里的那个巨大星云团进行了照相，获得了更大的红移照片，红移量对应的速度是每秒3500公里至8000公里。胡克号望远镜的高大镜筒从室女座星云团，移向飞马座、双鱼座、巨蟹座、英仙座、后发座，再到狮子座，照相底片上的红移量越来越大，最后不可思议地超过每秒20000公里。

下边的谱线明显向红端移动，红移量相当于 0.7 倍光速，每秒 2.1 万公里。

正如预期的那样，越是暗弱的星系，红移量越大，也就是远离的速度越快。容易想到，暗弱的星系距离更远，尤其是形状相似的旋涡星系，应当具有差不多的光度，这样就浮现出一个明显的规律：星系的距离越远，红移量越大。

关键是这些星系的距离是未知的，在测量出具体数据之前，这个红移规律只能是猜想。哈勃接下来的工作，可以帮助我们理解天文学家是怎样一步步测量越来越遥远的天体距离，这是许多人非常好奇的问题。

哈勃对星系距离的测定

本星系群里的星系距离我们最近，其中最知名的星系是M31、M33，哈勃可以在里面找到造父变星，从而直接测得它们的距离。

室女座星系团远了许多，哈勃无法在里面找到造父变星，怎么测距呢？他注意到旋涡星系有一个共同的特点：旋臂里都有蓝色超巨星，这是星系中最明亮的一类恒星，如同猎户座的蓝白色亮星参宿七。仙女座星系M31和三角座星系M33都是旋涡星系，哈勃在它们的旋臂里也都发现了蓝色超巨星，因为已经有了这两个星系的大致距离，这些蓝色超巨星的真实亮度可以被估算出来。哈勃发现，它们和银河系里最明亮的蓝色超巨星亮度差不多。

哈勃进一步推测，形态相似的旋涡星系，其旋臂里的蓝色超巨星应当都具有相似的真实亮度，这样，哈勃就找到了一个新的标尺—旋臂里的蓝色超巨星。这类星很明亮，比如参宿七的真实亮度是太阳的五万倍，比普通造父变星亮几百倍，在遥远的星系里，观测到蓝色超巨星比造父变星容易得多。

哈勃把望远镜对准室女星系团的旋涡星系，在旋臂里找到了蓝色超巨星，它们的暗弱程度显示出距离的遥远程度。哈勃就用蓝色超巨星这个新标尺，得出了邻近星系团的星系距离。

接下来，哈勃把距离进一步外推。利用造父变星和蓝色超巨星，哈勃测得到了大约1000个星系的距离—这是个艰巨浩大的工程。哈勃发现，星系团中最亮的星系，都是外形光滑的巨椭圆星系，比如室女座星系团的M60、M87等星系，这种巨椭圆星系亮度数倍于银河系，而它们本身的光度近似一样。这样，哈勃又得到一把更亮的宇宙标尺—巨椭圆星系，它们看上去的暗弱程度显示出它们距离的遥远程度。这个由数千亿颗恒星点燃的宇宙火炬，把哈勃的视线引向极为深远的太空。

哈勃进军宇宙深处的过程是这样的：

造父变星（标尺1）

→本星系群的星系

明亮的蓝色超巨星（标尺2）

→本超星系团的星系

巨椭圆星系（标尺3）

→更遥远的星系团

用这种方法，哈勃很快就探究到了当时可见的宇宙极限。这一推理极为合理和有效，却并不容易，哈勃警告道：

“星系中最亮恒星的辨认并不是件简单的事；从足够远的地方看去，星团会像恒星，亮星云也会像恒星。”

哈勃是很清醒的，他本人正如他警告的那样犯了错误。他的第一个错误是，由于对造父变星认识不清，他大大低估了本星系群里的星系距离，结果把仙女座星系M31的距离缩短到90万光年。

哈勃的第二个错误是，他在其他星系里找到的蓝色超巨星，其实都是明亮的星云，这类气体云是由内部的一群亮星照亮的，因此其亮度比单个蓝色超巨星要大得多。由此造成的后果是，哈勃又大大低估了室女星系团的距离—他得到的距离是700万光年，从而使后面环节上所有的距离都被低估。

后来经过巴德、桑德奇等人的修正，M31的距离扩大到250万光年，室女星系团的距离扩大到5000万光年，其余星系团的距离也随之扩大。

现在的天文学家们依然用类似哈勃的方法测定距离，只是精度和范围都大大提高。这样推理的可靠程度如何？英国天文学家霍伊尔在《物理天文学前沿》里这样评论：

每一个环节还是相当精确的；所谓精确，是估计每一环节会有误差，但误差不至于超过百分之十。但是，考虑到整个推理过程中有这么多的环节，在最后环节累积误差达到30％是可能的。考虑到测量的距离如此遥远，能够达到这样的精度，已经是很了不起了。

哈勃定律

哈勃测量的星系距离虽然不算精确，却足以验证他当初的猜想：红移大的星系确实距离更远，红移与距离之间存在线性关系，这就是著名的哈勃定律。1929年发表的论文，只有短短的6页，包含有46个星系的红移和距离数值。1931年第1期《天体物理学杂志》正式发表了“河外星云的速度—距离关系”论文，哈勃和赫马森共同署名，在1929年论文基础上，获得了赫马森另外50个星系红移数据的支持。

哈勃定律：

遥远星系光线的红移量与它们的距离成正比。

因为星系光线的红移量代表了退行（远离而去）的速度，哈勃定律表述的图景是：

星系的退行速度和其距离成正比。

哈勃定律为天文学家们提供了一个星系测距新方法—通过测量红移量来测量距离，红移量越大的星系，距离就越远。比如，一个红移量是每秒1700公里的星系，其距离约1亿光年；一个红移量是每秒17000公里的星系，因为红移大了10倍，距离就远了10倍，其距离约10亿光年。天文学家拍摄到一个星系的光谱，测定它的红移，然后利用哈勃定律的简单正比例关系，就可以大致估算出这个星系的距离。

哈勃定律是一项伟大的发现。赫马森，一个初中未毕业的马车夫、看门人，和20世纪最伟大的宇宙学发现永远联系在一起。他说：

“我始终觉得我非常幸福，因为我的结果—我在这项研究中的作用可以说是基础性的，这是绝不可能改变的，不管人们认为它有什么意义。这些谱线始终处在我测量它们的地方，如果你要用它们或者说要用红移，凡是只要用到它们，这些速度将始终和我测量的一模一样。”

遥远的河外星系都在远离我们而去，意味着什么呢？哈勃本人始终很慎重。在1931年发表的长约40页的革命性论文的末尾，哈勃含蓄地写道：“本文的作者仅局限于描述视向速度和距离的关系，不愿冒失地解释和评述它的宇宙学意义。”

哈勃不理解他的定律的宇宙学意义是很正常的，正确解释其含义，需要人们对时间和空间的观念来一次哥白尼式的革命。而这个革命刚刚由爱因斯坦完成，他的广义相对论使人类对时间和空间有了全新的理解。