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宇宙膨脹背后的故事(8):哈勃打開的宇宙新視界

 老夫不請自來也 2019-04-11

哈勃只比上篇中的主人翁之一沙普利小四歲,也是密蘇里州的鄉(xiāng)下人。與沙普利不同,哈勃的父親是有穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)的文化人。哈勃經(jīng)歷了正規(guī)的中小學(xué)教育,學(xué)業(yè)一直優(yōu)等,而且他還在體育場有所建樹。高中時他曾在田徑運(yùn)動會上一舉攬括七項(xiàng)冠軍外加一個第三名。芝加哥大學(xué)給他提供獎學(xué)金,他也不負(fù)其眾望,以1.88米的身高擔(dān)任?;@球隊(duì)中鋒,連續(xù)三年奪冠。

和眾多的天文學(xué)家相似,哈勃對天文的興趣始于8歲的生日。那天他拿著外公送給他的一具自制天文望遠(yuǎn)鏡看了一個通宵的星星。在芝加哥大學(xué),哈勃聽從父親的忠告主修法學(xué),但他放不下天文,便兼修了一些理科課程并以科學(xué)學(xué)士的學(xué)位畢業(yè)。

大學(xué)畢業(yè)后,哈勃向往英國牛津大學(xué),經(jīng)物理教授密立根一封熱情洋溢的推薦信,幫助他如愿以償?shù)爻蔀榱_茲學(xué)者(Rhodes Scholar)。

三年的牛津生活給他最深刻的影響既不是法學(xué)也不在科學(xué),而是品性習(xí)慣的大改變。他很快摒棄了與生俱來的美國中西部口音,操起一口純正的牛津英語;他一絲不茍地穿著考究的制服,外面還披件大氅;他也會潛心地炮制一壺精致的下午茶。這些依然不夠,他的嘴邊還出現(xiàn)了一只從不離口的煙斗。其他來自美國的羅茲學(xué)者們頗為驚詫,把他叫做“假洋鬼子”。

哈勃因父親病世趕回美國,作為長子承擔(dān)起家庭責(zé)任。在這關(guān)鍵時刻,他爹當(dāng)初的愿望只是竹籃打水一場空:哈勃沒有謀職律師行業(yè),只是“淪落”為中學(xué)代課老師。如此蹉跎一年后,他終于下定決心,返回芝加哥大學(xué)當(dāng)研究生,終于由自己選擇了天文專業(yè)。

芝加哥大學(xué)的耶基斯天文臺有一個當(dāng)時相當(dāng)先進(jìn)的61厘米口徑望遠(yuǎn)鏡,哈勃用它拍攝了大量星云照片。他發(fā)現(xiàn)其中一個星云的形狀在變化,證明它應(yīng)該離我們很近——正如沙普利所言,它處于銀河之內(nèi)。這個星云后來被稱為“哈勃的變星云”(Hubble's Variable Nebula)。

威爾遜山天文臺臺長海爾沒等他畢業(yè)就給他下了聘書。

他的博士論文題目是《暗淡星云的攝影研究》(Photographic Investigations of Faint Nebulae)。雖然他在望遠(yuǎn)鏡前花費(fèi)了數(shù)百個小時照相,論文卻只有9頁文字、8頁數(shù)據(jù)表格,外加區(qū)區(qū)兩張照片。因?yàn)樗€沒來得及動筆時,美國已經(jīng)正式參與了第一次世界大戰(zhàn)。哈勃匆匆敷衍了論文便投筆從戎,加入美國遠(yuǎn)征軍(American Expeditionary Forces)。

雖然叫遠(yuǎn)征軍,但他們卻在美國本土駐扎了一年多才奔赴歐洲。這時一戰(zhàn)已經(jīng)進(jìn)入尾聲,他隨軍駐扎在巴黎,沒有真正上過戰(zhàn)場。一戰(zhàn)結(jié)束后,哈勃繼續(xù)在歐洲游蕩,直到1919年才想起威爾遜山為他留的位置?;貒?,在那年9月來到威爾遜山報(bào)到。

尚未離開威爾遜山的沙普利對這個不再有一點(diǎn)鄉(xiāng)土氣的老鄉(xiāng)很不以為然。哈勃這時不僅叼著煙斗、一副英國紳士派頭,還穿著戎裝馬褲、皮靴,身披碩大的斗篷,頭上扣著貝雷帽。面對山上的一眾書生,他居高臨下地自我介紹是“哈勃少?!?。

哈勃對沙普利也同樣地看不順眼。那時沙普利已經(jīng)在星團(tuán)研究上聲譽(yù)斐然,不過三十出頭他就已經(jīng)是哈佛天文臺所垂青的臺長人選。但哈勃覺得沙普利只是在戰(zhàn)爭期間躲在后方摘到了本來可能會屬于他哈勃的桃子。

不過,來得早不如來得巧。哈勃雖然因?yàn)閼?zhàn)爭耽誤了兩年多,卻趕上了千載難逢的好時機(jī):那座2.5米口徑“胡克望遠(yuǎn)鏡”在他到達(dá)一星期后正式投入使用。經(jīng)過在小望遠(yuǎn)鏡上一番練手、熟悉環(huán)境后,還是新手的哈勃因?yàn)楹柕钠猾@得了與山上其他老將平起平坐地共享這個巨型望遠(yuǎn)鏡的資格。沙普利另謀高就之后,哈勃便更得心應(yīng)手了。

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1922年,哈勃在操作胡克望遠(yuǎn)鏡

那年圣誕節(jié)前的平安夜,哈勃第一次操作這座傲視全球的大家伙,把它對準(zhǔn)了他早已熟悉的那些暗淡的星云。

羅斯伯爵通過他的利維坦望遠(yuǎn)鏡看到星云的渦旋形狀已經(jīng)是大半個世紀(jì)以前的事了,星云卻依然還是那樣的神秘,除了偶爾能看到那中間突然出現(xiàn)明亮的新星,星云還是連續(xù)一片的光云。

恰恰是作為利維坦繼承者的胡克望遠(yuǎn)鏡,在哈勃手下終于揭開了星云的面紗。

只要天氣允許,哈勃便整晚整晚地拍攝星云的照片。這其實(shí)就是他博士論文的繼續(xù)。在大望遠(yuǎn)鏡幫助下,他看到星云并不都是渦旋,也有些是挺規(guī)矩的橢圓。按照星云的形狀,他制作了一個分類方式。這個“哈勃分類體系”(Hubble Classification System)一直沿用至今。不過,他更希望捕捉到星云中的個體新星。在威爾遜山上,他沒有弗萊明、坎農(nóng)那樣的行家里手“計(jì)算機(jī)”輔助,所有照片都必須他親手沖洗、觀察、測量、記錄、歸類。

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哈勃制作的星云分類圖

功夫不負(fù)有心人。在強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡和長期曝光的操作下,星云中肉眼看不見的新星在他的底片中接二連三地出現(xiàn)。最讓他感興趣的是幾顆在仙女星云中發(fā)現(xiàn)的新星。那便是波斯天文學(xué)家蘇菲曾經(jīng)記錄的“云一般的點(diǎn)”、(北半球)人類最早知道的星云。

哈勃是在1923年10月初的觀測中發(fā)現(xiàn)仙女星云中的新星的。按照慣例,他在照片上將它們分別標(biāo)記上“N”(nova)。當(dāng)與天文臺庫存的照片對比時,他意外地發(fā)現(xiàn)其中一顆以前也出現(xiàn)過,因此并不是新星,而可能是時有時無的變星。這一發(fā)現(xiàn)讓他興奮無比,立刻在照片上把“N”字劃掉,代之以加上感嘆號的“VAR!”(variable)。

他的好運(yùn)氣還不止如此。在連續(xù)幾個月跟蹤拍攝之后,他明白這顆變星非同一般,正是一顆天文學(xué)家夢寐以求的造父變星。

1924年2月19日,還沉浸在興奮中的哈勃給在哈佛的沙普利寫了一封信,不帶任何客套地開門見山道:

“親愛的沙普利:你可能會有興趣知道我已經(jīng)在仙女星云中找到了一顆造父變星……”

他附上了一幅描述這顆星的光強(qiáng)變化曲線的圖,其形狀毋庸置疑地符合造父變星特征。那顆星的星光只有18等,極其微弱。但光強(qiáng)變化的周期長達(dá)31天。根據(jù)勒維特的“周光關(guān)系”,這么長的周期說明那其實(shí)是一顆(內(nèi)在亮度)極其明亮的星星。與它的微弱的視覺亮度相比,表明它非常遙遠(yuǎn)。

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哈勃1923年在仙女星云中發(fā)現(xiàn)的造父變星。左圖:哈勃拍攝的仙女星云照片之一,上面有他做的標(biāo)記;右圖:哈勃隨信寄給沙普利的變星光強(qiáng)變化曲線

沙普利在大辯論前已經(jīng)確定了用“周光關(guān)系”測定造父變星距離的基準(zhǔn)。這時哈勃用這把現(xiàn)成的尺子很輕松地就估計(jì)出仙女星云距離地球超過100萬光年。而沙普利通過星團(tuán)的測量發(fā)現(xiàn)銀河比其他所有人想象得都更大,以至于大得就是整個宇宙時,他的銀河也“不過”30萬光年。一個100萬光年之外的星云顯然不可能處于他的銀河“大星系”之內(nèi)。

那么遙遠(yuǎn)的星云能在地球上肉眼可見,說明她本身的大小也巨大到足以與銀河相比:一個類似于銀河的“島嶼宇宙”。

所以,沙普利只寥寥地掃了一下哈勃的來信,便立刻領(lǐng)悟到他自己的宇宙已經(jīng)完全被毀了。

1924年底,美國科學(xué)促進(jìn)會在首都華盛頓舉行為期六天的年度會議。美國天文學(xué)會也湊熱鬧,同時同地舉行他們自己的年會。普林斯頓教授、沙普利當(dāng)年的導(dǎo)師羅素幾度給哈勃去信邀請,暗示他的論文肯定會贏得天文學(xué)會的年度大獎。

哈勃的發(fā)現(xiàn)在天文學(xué)家圈子中早已不脛而走,就連《紐約時報(bào)》也在那年11月23日發(fā)表了哈勃發(fā)現(xiàn)遙遠(yuǎn)宇宙的“傳聞”。但哈勃一直卻按兵不動,遲遲沒有正式的論文出現(xiàn)。他誠惶誠恐,害怕自己的數(shù)據(jù)或推論會存在紕漏,依然躲在威爾遜山上拍攝更多的照片。他希望能夠象柯蒂斯在大辯論中所堅(jiān)持的——掌握“更多的數(shù)據(jù)”。

更多的數(shù)據(jù)也在持續(xù)地出現(xiàn)。不僅僅是仙女星云,他在其它更為暗淡、模糊的星云中也陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了造父變星。在威爾遜山那些萬籟俱寂的夜晚,哈勃幾乎孤獨(dú)地忙碌著。隨著底片的積累,他那把丈量宇宙的尺子在浩瀚的廣宇中持續(xù)并執(zhí)著地向外延伸。

在羅素一而再,再而三的催促下,哈勃終于在最后一刻給他寄去了一篇論文稿。他自己依然留在威爾遜山,沒有去東部赴會。

自托勒密開始,天文學(xué)家計(jì)時的一天都是從太陽當(dāng)空的正午開始,到第二天的正午結(jié)束。這樣對星空的仰望、記錄不至于在午夜時中斷。當(dāng)1925年新年到來時,80多位美國天文學(xué)家與常人一樣歡慶元旦,同時也把他們的“紀(jì)日”改為與日歷同步——從午夜到午夜。這樣,即使對于天文學(xué)家而言,正午也不再是新的一天到來的時刻。

正是1925年元旦的那個正午,天文學(xué)家和科學(xué)促進(jìn)會的數(shù)學(xué)物理部成員濟(jì)濟(jì)一堂,在喬治華盛頓大學(xué)新建成的大禮堂里繼續(xù)開會。羅素走上講臺,宣讀了哈勃題為《渦旋星云中的造父變星》(Cepheids in Spiral Nebulae)的論文。哈勃報(bào)告說他已經(jīng)在仙女星云中找到了12顆造父變星,在另一個星云里也發(fā)現(xiàn)了22顆,并且在其它一系列星云中看到了存在變星的跡象

不僅如此,他還能夠清晰地看到星云的外緣由一顆顆可辨認(rèn)的星星組成。星云不僅非常非常地遙遠(yuǎn),也不是如沙普利猜測的那樣由氣體塵埃組成,而是與銀河一樣地群星璀璨——真真實(shí)實(shí)的“島嶼宇宙”。

從此,天文學(xué)又一次進(jìn)入了一個新的時代。

柯蒂斯在那場大辯論之后,他離開了西海岸的利克天文臺,到東部匹茲堡市的一個天文臺擔(dān)任臺長。此時他正在會場,面對激動的同行,他卻表現(xiàn)得頗為淡定。

柯蒂斯非常清楚哈勃這一發(fā)現(xiàn)的非凡意義。他后來在書中寫道:“在人類思想歷史上,很少形成過比這更偉大的概念:我們,不過是在自己星系中百千萬個太陽之一的一個小衛(wèi)星上生存的微不足道的生物——能夠看到自己星系之外還有其它類似的星系。她們每個都有著幾萬光年的直徑,像我們的一樣有著幾十億個甚至更多的太陽。如此,我們的視線從50萬光年穿越到幾億光年遙遠(yuǎn)的——那更廣闊的宇宙?!?/span>

來源:程鶚 的博客

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