天文学家哈勃文/张天蓉哈勃是一个传奇式的人物，他一生的作为，总和“明星”联系在一起。众所周知，哈勃是研究天上的星星的“星系天文学”之...

发布时间：2025-01-01 08:10

文/张天蓉

哈勃是一个传奇式的人物，他一生的作为，总和“明星”联系在一起。众所周知，哈勃是研究天上的星星的“星系天文学”之父。在美国加利福尼亚州的威尔逊山上，他叼着烟斗“看星星”；在山下距离不远处的好莱坞，他是影星们心目中的英雄和偶像；鲜为人知的是，哈勃自己就是一个多方面的体育明星。年轻时候，他在篮球、网球、橄榄球、跳高、铅球、射击等许多项目上都有着突出的成绩。

哈勃生于美国密苏里州一个普通保险从业员的家庭。在芝加哥大学学习数学和天文时，他就因作为一名重量级拳击运动员而闻名全校。1919年，他参加的芝加哥篮球队获得冠军（图7-1-1（c））。后来，他遵循父亲的愿望，到英国牛津大学学习法律，在那里他也是作为体育明星而著名，还曾经在一场表演赛中与法国拳王冠军交手。

不过，在广泛的兴趣中，哈勃最热衷的事情还是天上的星星和隐藏在茫茫夜空中的秘密，这个愿望在他从芝加哥大学获得了天文学博士并受聘于威尔逊山天文台之后得以实现。

看中哈勃的是当时美国著名天文学家乔治·海尔（George Hale，1868—1938年）。海尔的生平也不简单，他出生于芝加哥，从小表现出对天文观测的浓厚兴趣。海尔的父亲是一个颇为成功的电梯商人，十分重视对儿子的教育，并且尽力支持儿子的事业。海尔从麻省理工学院毕业后便希望建立自己的天文台，老海尔为了鼓励儿子，赞助他在芝加哥海德公园自己住所的顶楼上安装了一台12in的望远镜进行天文观测。心高气傲的海尔出任芝加哥大学的教授之后，梦想建立一个世界最顶级的天文台。这时候父亲的赞助已经满足不了他的胃口，因而父亲只能在1896年送了他一块口径60in、厚度7.5in、重860kg的大玻璃。8年之后，海尔获得卡耐基研究所的一笔基金，开始请人用这块玻璃研磨望远镜的镜面，准备在旧金山建造天文台。1906年，刚研磨好的玻璃还差一点就毁于大地震。后来，这架望远镜于1908年12月8日在威尔逊山天文台正式启用，算是当时世界上最大的望远镜。

海尔善于言辞，说话颇能鼓动人心，擅长向富商筹集经费，因而促成了好几个大型天文台的建立。他于1904年至1923年出任威尔逊山天文台的台长，并慧眼识英雄，注意到了哈勃的天文观测才能，于1919年聘用了哈勃。

哈勃来到威尔逊山天文台时，海尔已经在那里安装了世界上最先进的天文观测仪器，特别是一台口径为2.5m的胡克望远镜。这是海尔苦口婆心说动洛杉矶富商胡克掏钱建造的。这架望远镜为哈勃立下了不少汗马功劳。哈勃是海尔四处劳苦奔忙。求赞助的最大受益者，他使用胡克望远镜，确定了许多原来观测记录的所谓“星云”，实际上是银河系外的星系。这个结论让天文学家们大开眼界，真正认识了宇宙的尺度之大，并且后来的成果不断涌现。

天上的星星有不同的星等，哈勃根据星系的星等计算出它们离地球的距离。离威尔逊山下不远的洛杉矶的好莱坞，也聚集了各种不同“星等”的明星。难得有科学家像哈勃这样，成为明星们崇拜的“科学明星”。他那高高的运动健将似的身材、口叼烟斗的潇洒绅士风度和说话时的英国口音吸引了众多电影界大腕，如大名鼎鼎的卓别林、导演弗兰克·卡普拉、女星海伦·海斯等，都成了哈勃的好朋友。驱车上山参观天文台上哈勃的望远镜，成了明星们当年的时尚。

人类观天的能力是随着望远镜技术的改变而进步的。当我们用肉眼仰望天空，能看见一颗一颗的星星，也会看见一片一片的“星云”。因此，星云最开始是人们对分辨不清楚的星群的称呼。后来人们却发现，最初称之为“星云”的东西，有些是真正的气体及尘埃形成的“云”，有些实际上是很多星星聚集在一起形成的，貌似云而不是云。在哈勃的年代，人们对银河系已经有了比较明确的概念，但后来发现了不少的“旋涡星云”，它们使天文学家们困惑不解：这些旋涡星云是否仍然属于银河系呢？还是独立于河外的其他“岛宇宙”？大家观点不一，莫衷一是。

要解决这个旋涡星云之谜，关键问题是测量这些星云与地球的距离。本书的第五章第1节中，简单介绍过天文学中测量距离的方法，天体离地球越远，直接测量其距离就越困难。对远处星云距离测量的关键，是要使用某种方法预先估计出其中某些天体的真实发光能力，即绝对星等。这里再重温一遍第五章第1节中提到过的绝对星等M的定义：把天体放在约32.616光年处观测到的视星等。或者说，如果能在一片星云中找出一个“标准烛光”，测量出它的视星等m，就能够根据公式：M＝m＋5-5lgD，估算出星云离我们的大概距离D。

造父变星可以作为星云的一种标准烛光。什么是造父变星呢？这又得从变星讲起。

大多数星星的亮度比较固定，或者说，变化时间相当长。但有一部分星星的亮度，在我们所观测到的时间范围（比如几天到几十天）内有明显变化，被称为“变星”。其亮度变化的原因基本有两种，一种是外部运动造成观察时亮度变化的假象，比如双星互绕时形成周期性的相互遮掩。第二种则是来自于恒星内部某种复杂的物理演化机制，使得它们的电磁辐射过程不稳定，比如说恒星体积周期性膨胀、收缩造成的光度变化。

造父变星是一种亮度随时间呈周期性变化的变星。这个古怪的名字来自于中国古代的一个人名，指的是历史上一个善于驯马的能人。后来，“造父”又变成了星官名。星官是中国古人对星座的叫法，他们将仙王座中的δ星叫做“造父一”。“造父一”作为恒星很早就被观测到，但作为变星，却是直到1784年才被英国聋哑青年天文学家古德里克发现。造父一的亮度按照周期变化：增亮，变暗，再增亮，再变暗，大约5.36634天一个周期。后来人们又发现了许多与造父一类似的变星，因此就将这一大类恒星称为“造父变星”。造父变星的光变周期有长有短，大多在1～50天之间，也有少数上百天的。大家熟悉的北极星也是一颗造父变星。

1912年，美国女天文学家亨里埃塔·莱维特研究大麦哲伦星云中的25颗造父变星，发现了一个非常重要的规律：它们的光变周期与它们的亮度成正比。上面的说法也被称为“造父变星周光关系”。莱维特得到的周光关系中，“亮度”本来指的是25颗造父变星的“视星等”，但是却可以认为它们等同于“绝对星等”。为什么呢？因为这25颗造父变星属于同一个星云，它们与地球的距离可以当作是相同的。在同样的距离下，视星等也就反映了真实的发光能力。因此，周光关系一般可以被表述为：同一类造父变星的绝对星等M与光变周期P成正比。

从天文学中已经观察到的造父变星的数据，可以得到它们的周光关系曲线。然后，对某个未知距离的造父变星，你只要观测到了它的光变周期，将周期的数据放到周光关系曲线中去，就可以知道它实际应该有多亮，也就是知道了它的绝对星等。但是，你观测到的视星等不一定刚好等于这个绝对星等，根据视星等和绝对星等的差距，便可以算出它与地球的距离。再进一步，星系中某个造父变星到地球的距离，也就代表了其所在的星团或星系到地球的距离。因此，造父变星被人们誉为“量天尺”。

哈勃用胡克望远镜拍摄了一批旋涡星云的照片，并在这些星云的外围区域中辨认出了许多造父变星。哈勃兴奋无比，有了这些量天尺，就不难算出这些星云与地球的距离了。知道了距离，也就能判定它们究竟是位于银河系以内还是以外，因为当时测定的银河系直径约为10万光年。

1925年元旦，哈勃在美国天文学会的一次会议上宣读了自己的一篇论文，宣布他用胡克望远镜发现了仙女星云和三角座星云中的一批造父变星。经过对这些造父变星的测量和推算，这两个星云距离地球大约90万光年。这个数字大大地超过了银河系的大小，因此仙女星云和三角星云被最早确定为是有别于银河系之外的“岛宇宙”，人们称它们为“河外星云”。

通过哈勃的望远镜，世界突然变大了，从原来银河系的10万光年伸展到了上百万光年，似乎还继续伸展以至无穷。有了开头，后面一个一个的“岛宇宙”不断被发现。实际上，许多星云早已经被观测到，我们曾经介绍过的早于哈勃的天文学家威廉·赫歇尔，就已经完成收录了多达5000个星云的目录。哈勃发现仙女星云、三角星云为河外星系之后，大家所做的，只是寻找它们中的造父变星，然后估算它们的距离，从而确定它们的“河外”或“河内”身份而已。

除了造父变星之外，超新星是亮度比造父变星亮得多的标准烛光。超新星指的是原来就存在但某段时间突然爆炸的恒星。爆炸原因是引力塌缩引起极强的核聚变。在爆炸时的短时间内，它的光度会超过整个星系的光度，使得这颗星在几个星期甚至几个月内肉眼可见。人类有记录的第一颗超新星是中国天文学家在公元185年观察到的。超新星爆发是难得一见的天文现象，正像两个黑洞碰撞等事件一样，可遇而不可求。但因为观察和研究这类非常明亮的天体对宇宙学意义重大，2011年度诺贝尔物理学奖颁发给了三位与超新星的测量及搜索方法作出突出贡献的物理学家。

哈勃确定河外星系的先驱工作，为天文学开辟了一个新的发展方向：测量宇宙学。

有了上千个星系的资料，人类观天的角度上升了一个档次。原来是站在地球上看银河，现在则是站到了银河上来看整个宇宙，将包括了亿万颗恒星的每个星系，仅仅当成为研究系统中一个小小的元素。这种把宇宙看作一个整体，研究大量星系在宇宙中的空间分布与运动，研究宇宙整体的结构、起源和演化的学科，称之为“宇宙学”。在理论物理和哲学中，宇宙学的思想可能早已有之，但只是从哈勃开始，宇宙学才和天文测量密切关联起来。

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