牛津通识课 星系

星系 | 引言 人类真正展开对星系的科学研究是在70多年前。那是20世纪20年代，人们首次意识到，透过望远镜看到的许多模糊光斑其实是太空中大量恒星组成的远在银河系之外的宇宙岛。如果没有望远镜，人类永远不可能探索银河系以外的宇宙，当然也不可能洞悉河外星系的基本特征。事实上，望远镜是在历经了近400年的进化之后，才精良到足以让人一点点看清星系的真面目。 据说，**个使用望远镜观察夜空的人是伦纳德·迪格斯（Leonard Digges）。他是一位数学家、勘测员，毕业于牛津大学。1551年前后，伦纳德发明了经纬仪。考虑到经纬仪对他的工作太重要，对望远镜（本质上就是朝向天空的经纬仪）的这种用法他一直守口如瓶。但伦纳德写了一本书，该书算是**批科普英文读物的书籍之一，书中包含了托勒密地心说的宇宙模型。伦纳德死于1559 年，儿子托马斯·迪格斯（Thomas Digges）继承了父亲的事业。托马斯出生于16 世纪40 年代，后来成为一名数学家，并于1571年整理出版了父亲的一本遗著，书中首次披露了望远镜这一秘密。托马斯也从事天文观测，并于1576 年出版了他父亲**本著作的修订扩充版，书中首次用英文介绍了哥白尼日心说的宇宙模型。 在那本名为《永恒的预言》（PrognosticationEverlasting ）的书中，托马斯声称宇宙是无限的，并附了一幅插图。图中，被行星环绕的太阳端坐在向四面八方无限延伸的恒星阵列的中心。我们知道托马斯至少有一架望远镜，因此可以合理地推断，他完全有可能用望远镜观察到天空中那条神秘的光带，并发现银河系是由数不清的恒星组成的。迪格斯父子俩的故事可能会让人感到有些不可思议，因为人们通常认为**个使用天文望远镜的是伽利略·伽利雷（Galileo Galilei），并确信17 世纪头10 年，伽利略率先在望远镜中观察到银河系是由大量恒星组成的。 事实上，望远镜在欧洲西北部被不同人独立发明了好几次，直到1609年才从荷兰传到意大利。据说，伽利略制造了好几架望远镜。不过，带有传奇色彩的是，伽利略仅凭别人对望远镜工作原理的描述，就成功制作了属于他的**架望远镜，并且马上就将镜筒对准了天空。伽利略将自己的发现记录在1610年出版的《星际使者》（Sidereus Nuncius，英文名为The Starry Messenger）一书中。这使伽利略声名鹊起，他也因此被误认为是**个使用望远镜的天文学家。像之前的托马斯·迪格斯一样，伽利略无疑也确实观察到了银河系是由无数恒星组成的。 下一个有关我们在宇宙中所处位置的成就，是由英国仪器制造商、哲学家托马斯·赖特（Thomas Wright）在18世纪中叶取得的。但是，就像迪格斯父子一样，他的贡献也基本上被人遗忘了。众所周知，银河系看上去就像一条横贯夜空的光带。然而，在1750年出版的《宇宙的原始理论或新假说》（An Original Theory or New Hypothesis of the Universe）一书中，赖特指出，银河系是由一片平铺的恒星组成的，并将其形状比作磨坊里的砂轮。更令人印象深刻的是，赖特意识到太阳并不位于这个圆盘的中心，而是偏向一边。尽管赖特未能实现想象的飞跃，进一步说明星云可能就是与银河系相似的恒星系统，但赖特的确提到，通过望远镜看到的模糊光斑，也就是云状的星云，可能位于银河系之外。另一位哲人科学家伊曼努尔·康德（Immanuel Kant）基于赖特的观点，又向前迈出了一大步。康德指出，星云很可能是像银河系一样的“宇宙岛”。但这个想法在当时并没有得到人们足够的重视。 随着望远镜的改进，新发现并编入目录的星云越来越多。精心编制星云目录的原因之一是彗星热。18 世纪末和19 世纪初，天文学家们曾热衷于搜寻彗星。然而星云和彗星看上去都是模糊的光斑，不仔细辨别很容易混淆。因此有些人，比如18 世纪80 年代的查尔斯·梅西耶（Charles Messier）和1802年完成了一个目录编制的威廉·赫歇尔（WilliamHerschel），都试图通过编制目录标定星云的位置，以免发生混淆。赫歇尔的目录涵盖了2500 个星云，现在已知其中大部分是星系。在接下来的20 年里，赫歇尔曾试图弄清楚星云是由什么构成的。但即使动用当时*大的、口径达48英寸（约1.2米）的望远镜，也无法将这些模糊的光斑分解成恒星。直到1822年去世时，赫歇尔仍坚信星云是银河系中弥散的物质云。 下一个观测成就是由罗斯伯爵三世威廉·帕森斯（William Parsons）取得的。19世纪40年代，帕森斯建造了一架口径为72英寸（约1.8米）的巨型望远镜，并借此发现许多星云都具有螺旋结构，看起来就像是一杯黑咖啡里搅出来的奶油图案。在接下来的几十年里，一些星云被确定为银河系内发光的气体云，另一些星云则被认证为星团。尽管星团的规模比银河系小得多，但明显与银河系存在关联。螺旋星云则与这两种类型天体的特征都不相符。19世纪下半叶，天文摄影技术的发展使人们能更便捷地研究螺旋星云，但当时拍摄的照片并不足以揭示螺旋星云的本质。 20世纪初，绝大多数天文学家都认为，螺旋星云是恒星形成过程中围绕恒星旋转的物质云，就像形成太阳系的物质云一样。但此后的20年间，支持宇宙岛观点的人越来越多，这促使美国国家科学院（National Academy of Sciences）就这一议题主办了一场辩论会。当时，来自加州威尔逊山天文台的哈罗·沙普利（Harlow Shapley）代表反对宇宙岛想法的多数派；加州利克天文台（Lick Observatory）的赫伯·柯蒂斯（Heber Curtis）则代表认同该想法的少数派。这场于1920 年4 月26 日举行的辩论会被天文学家称为“大辩论”（The Great Debate）。虽然没能决出胜负，但这场大辩论标志着关于星系的现代科学研究的开端。