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他用统计分析的方法画出了银河系的形状

时代书局 2017-08-25
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1906 年,全世界各地天文学家都收到了一封来自荷兰天文学家卡普坦(Kapteyn,1851 年~1922 年)的倡议信,这封信的大致内容是建议全世界天文学家联合起来,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 个天区中所有恒星的亮度、视差、位置、视向速度等参数。卡普坦的目的是要把赫歇尔的工作推向一个更深入的范围,定量地勾勒出银河系的结构和形状。卡普坦的倡议得到了相当多的天文学家的响应,尽管经历了第一次世界大战的硝烟,但依然有大量观测数据源源不断地流向卡普坦。终于,到了 1922 年,卡普坦向天文学界宣布:他用统计分析的方法画出了银河系的形状。它是一个直径 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,不过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,我们还是能看出一些缺陷,他用的是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?这些问题的存在,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...
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1906 年,全世界各地天文学家都收到了一封来自荷兰天文学家卡普坦(Kapteyn,1851 年~1922 年)的倡议信,这封信的大致内容是建议全世界天文学家联合起来,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 个天区中所有恒星的亮度、视差、位置、视向速度等参数。卡普坦的目的是要把赫歇尔的工作推向一个更深入的范围,定量地勾勒出银河系的结构和形状。卡普坦的倡议得到了相当多的天文学家的响应,尽管经历了第一次世界大战的硝烟,但依然有大量观测数据源源不断地流向卡普坦。终于,到了 1922 年,卡普坦向天文学界宣布:他用统计分析的方法画出了银河系的形状。它是一个直径 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,不过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,我们还是能看出一些缺陷,他用的是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?这些问题的存在,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。有着浓郁维多利亚时代风格的圆顶主建筑,让人一看就知道这是一个天文台,在圆顶的下面,是一个雄伟壮观的巨型支架,在它上面,将支起一架全世界最大的光学望远镜。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(Shapley,1885 年~1972 年)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,这些看上去像单个恒星的天体其实是由几万甚至几十万颗恒星聚集在一起组成的。

沙普利对球状星团着了迷,他在对 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结论是:如果说太阳位于银河中心(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,也就是说,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。

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在这里,我不得不又一次岔开话题,谈一下天文测距的相关知识,因为距离是我们认识宇宙的关键。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,准确度相对较高的一个方法是“造父变星”测距法。现在,先跟我了解一下什么是“造父变星”。

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(Goodricke,1764 年~1786 年)。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—古德里克拥有一双视力超强的眼睛。

他从小就喜欢看星星,年仅18岁时,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(中文名是大陵五)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,甚至还提出它是由一亮一暗两颗恒星组成的双星系统的观点。他把自己的发现报告给了英国皇家学会,经核实后,他被吸纳为最年轻的皇家学会会员。

在 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,美国女天文学家勒维特(Leavitt,1868年~1921 年)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。换句话说,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,这让沙普利大喜过望,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(该数据引自维基百科 2016 年 7 月数据)。

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,这使他测得的所有距离都被大大地高估了。

这个错误,让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两个问题是: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。





“第八届文津奖获奖图书”作者新作,国家文津奖得主汪洁继《时间的形状》后又一畅销力作。从大地的形状到宇宙的尺度,从天文学问题到银河系的秘密,用通俗幽默的语言讲述一部与众不同的天文学史。
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