夜晚的天空中都有啥?星星和月亮,那么除了这两个呢?人们还在天空中发现了一个巨型结构,横跨苍穹的银白色暗带。
这是啥?我们的银河系!但是古人哪里知道还有银河系这样的结构啊,所以他们就说这是一条河流,称为天河。是天帝不想让自己的女儿和牛郎相会,所以就在她俩中间弄了一条河。
古希腊人就认为这是宙斯的私生子,把他正妻的乳房给抓破了,所以她的乳汁就飙洒了一路,形成了一个“奶路”。
这种神话传说一般只能满足我们普通人的幻想,但哲学家并不吃这一套,其实从古希腊时期开始,人们在认识自然的过程中就已经在摆脱神的参与。
你看,亚里士多德就说银河系暗带是地球的大气现象,虽然是错的,但里面已经没有神了。德谟克里特就说,这是由无数的恒星构成的,这些恒星非常密集,所以看起来就是一条银白色的暗带。
很明显,他猜对了!1609年,伽利略才用望远镜证实了德谟克里特的想法。知道了这就是一个恒星密集区域。
但在这之后很长的一段时间内,我们对银河系的认识并没有多大的进展,直到18世纪英国天文学家威廉·赫歇尔才第一次对银河系做了系统性的观察,并且提出了一个银河系模型。
威廉·赫歇尔1738年出生在英国的汉诺威,他原本是一个音乐家,处在上流社会,有钱,有时间,所以跟当时的大多数有钱人一样,天文学是他的业余爱好。
闲下来就用望远镜看看天空,但威廉赫歇尔觉得买来的望远镜都不好,满足不了自己的要求,所以他想自己动手做一个更好的望远镜,就找来了妹妹卡罗琳帮忙,正是这件事让威廉·赫歇尔彻底的爱上了天文学。
到了1774年,他的望远镜终于是造好了,镜筒长1.5米,镜面宽20厘米,正是这架望远镜改变了他的后半生。
1781年3月31号的晚上,威廉赫歇尔像以往一样扫视着天空,他在双子座方向看到了一颗模糊的光斑,经过几个晚上的持续跟踪,发现这个东西在移动,威廉赫歇尔就认为这是一颗彗星,并把它汇报给了天文学会。
很快人们就根据他的轨道,判断出这不是啥彗星,而是一颗行星:天王星。并且算出了他的距离为19.2AU,太阳系的范围一下翻了一倍。
威廉赫歇尔也因为这个发现名声大噪,并且获得了一个职位:皇家天文官,从此以后他也不玩音乐了,跨行成为了一名职业天文学家。
大获成功的威廉·赫歇就开始拉投资,在他的居住地史老建造了一个当时世界上最大的望远镜,镜筒长12米,镜面宽度1.2米,整个望远镜架设在一座由木杆和木梯搭成的巨大木制结构上。
如此庞大的望远镜肯定会带来非凡的发现,赫歇尔利用这颗望远镜记录了数十万颗恒星的位置,发现他们好像都聚集在一个犹如磨盘的系统里,所以他猜测我们处在一个盘子当中,这个盘子就是宇宙。
不仅如此,赫歇尔还计算了这个盘子有多大,他当时的计算方法是这样的。他首先假设宇宙中所有星星的亮度都是一样的,我们之所以看到有些星星暗,完全是因为他离我们远造成的,这个假设很明显是错误的,不过当时的知识储备就这样了。
然后他以天狼星的亮度和距离为标准,利用光强和距离成反比这一关系,这里我解释一下,假如两颗星星的亮度是一样的,如果一颗星星和我们的距离是另外一颗的两倍,那么他看起来的亮度就是另外一颗星星亮度的1/4。
那么以天狼星的亮度为标准,我们在宇宙中找那个看起来最暗的恒星,看它的亮度是天狼星亮度的多少分之一,我们就能知道它和我们的距离是天狼星的多少倍。
关键的问题是,我们并不知道天狼星和我们的距离,所以赫歇尔又假设出来一个基本单位:天狼星米,所以根据它的测量,这个盘子的大小为1000个天狼星米,厚度为100个天狼星米。现在我们知道天狼星的距离为8光年,那么赫歇尔当时测出来的银河系直径为8000光年。很明显错的离谱,但是这一数字在当时可算是震惊四座,让我们首次对宇宙的大小有了一个直观的感受。
除此之外,赫歇尔还利用这个庞然大物在天空中发现了大量的星云,短短2年的时间就将梅西耶星表中的对象扩充到了2500多个。这只能说明望远镜的口径大了真的是好,当年梅西耶发现103个深空天体用了几十年的功夫。这就是差距。
现在我们常看到的深空天体的编号除了有M开头的,还有NGC开头的,这是深空天体的新总表,里面包含了7000多个星团、星系和星云,是1880年代人们在赫歇尔观测的基础上汇总的新星表。
在最初天文学的发展中,你会发现这样的现象,只要望远镜的口径不断地变大,就会有更多的发现,当然也就推动了天文学的发展,所以到了1845年,在爱尔兰有一户财主,他是第三任罗斯勋爵,名叫帕森斯,就斥巨资建造了维多利亚时代最牛得望远镜。
口径达到了1.8米,整个建筑看起来像一门超级大炮一样,这个记录一直保持到了1917年,才被威尔逊山上2.5米口径的胡克望远镜超越。
帕森斯通过自己的望远镜这时才分辨出星云的不同细节,他就看到了有些模糊的星云其实就是星团,有些星团密度小,有些星团密度大,现在我们知道他们是疏散星团和球状星团。
当然他也看到了行星状星云和超新星遗迹,也看到了恒星形成区域显示出来的色彩。当然他也看到了一些星云是椭圆形的怪物,无法分辨出其中的结构和单颗恒星,现在我们知道这是椭圆星系。
还有一类星云,能够分辨出它具有螺旋状的结构,当时帕森斯就手绘了一幅图,这是M51星系,这是人类第一次看到星系的螺旋结构。
你可能会想为什么最先看到的是M51,而不是离我们最近的仙女座星系,因为M51的盘面正好正对我们,所以很容易能看到他的螺旋结构,而M31在我们视线方向有点侧对着我们,不容易看到。
在19世纪末期,天文学还有一个不得不说的巨大成就,业余天文学家罗伯茨将照相技术和天文望远镜结合在了一起,从此人类进入了天文摄影时代。这是一个巨大的进步,以前的天文学家必须守在望远镜跟前靠肉眼观测,然后手绘看到的景象。有了照相技术,不仅能够长时间曝光捕捉更多的光子,看到更微弱的天体,而且获得的景象更加的真实,当然也让天文观测变得轻松了许多。
现在看到的这张照片就是1888年,罗伯茨拍摄的M31星系,这是人类拍摄到的第一张星系照片。
可当时人们并不知道这就是星系,只看到了他有螺旋结构,以为他是“原恒星”,也就是恒星形成的早期阶段。所以关于它到底是啥,在20世纪20年代人们还进行了一场大辩论。这是我们下节课的内容。
好,下面我们继续说人们对银河系的了解。1917年在卡内基基因会的支持下,美国加州理工大学在威尔逊山上建造了一台口径为2.5米超级望远镜,并且在这之后的30年间,一直保持这最大望远镜的记录。
它相对于帕森斯的望远镜来说,不仅口径大,而且镜面要好得多,它用的是镀银玻璃,而不是以前的铜锡合金打磨出来的镜面,而且胡克望远镜建山上,大气的扰动很小,在加上美国的天气要比英国的好得多,所以胡克望远镜真正是打开了人们的视野。
在第一批使用胡克望远镜的天文学家中有一个人叫沙普利,他通过研究球状星团就发现,球状星团的分布不均匀,大部分聚集在人马座方向,前面我们说了,赫歇尔认为我们处在一个盘子中,但没有说我们具体处在盘子的哪个位置。
那么沙普利的发现就说明我们没有处在盘子的中心,因为如果我们处在中心的话,我们会看到在各个方向球状星团的分布应该是均匀的。但事实上,球状星团在一个方向比较密集。所以我们处在这个盘子的边缘。
随后沙普利通过测量球状星团的距离,再次刷新了我们对宇宙大小的认识,当时他测出来的距离是这样的。银河系直径20光年,厚度为3万光年,我们距离银河系中心为5万光年。
我知道,你马上会问,他是如何测量距离的?这就要说到人类认识宇宙最重要的工具了量天尺,以前我们介绍过视差法,但他不适合远距离的天体,因为越远视差越小。
但是到了20世纪初人们又发现了一种可以测量恒星距离的办法,造父变星。这是一种亮度随着时间周期性变化的恒星。
最早发现这个现象的人是1784年荷兰的一位业余天文学家古德利克,他发现的第一颗亮度周期性变化的恒星是仙王座δ星,中文叫造父一,所以我们将这种变星统称为造父变星。
一直以来我们认为这种亮度变化的恒星很少,因为几百年间我们就发现了那么十几颗恒星的亮度会周期性的变化,也就是变光周期,说的是,一颗恒星亮度从最高,到最暗,再回到最高所需要的时间,这个周期最短几个小时,最长需要几年的时间。
但随着天文照相技术的发展,我们就可以比对一颗恒星在几天、几周、甚至几个月、几年亮度的变化,所以我们这才认识到变星其实非常的普遍。
那么真正把变星当作标准烛光使用的想法,来自于19世纪的一位年轻的女性,他是天文学界最伟大一批女天文学家,他叫勒维特,1868年出生在美国。1893年进入了哈弗天文台,在往后的20年间,他统计发现了将近1000多颗变星。
并且发现这样的规律,恒星的变光周期越长,其平均亮度越大,这里的亮度说的都是视亮度,也就是看起来有多亮,如果我们利用视差法测量出这些变星和我们的距离,我们就能够知道这些变星的本征亮度,也就是实际上它有多亮。
通过大量的总结,归纳,我们就能够掌握这样一个重要的信息。只要我们测量一颗变星的变光周期,我们就能知道它的平均本征亮度。
在通过测量它的视亮度,根据亮度会随着距离的平方发生衰减这个关系,就能算出这颗变星和我们的距离了。
这就是天文学中使用比较广泛的造父变星测距法。沙普利正是通过造父变星测量了星团和我们的距离,得出银河系的直径。
那为啥他测量的值和今天的10万光年差了那么多呢?因为他当时没有考虑弥散在银河系内的尘埃、或者气体等等这些消光物质,导致了他看到的视亮度低了很多,所以他算出来的距离就远了很多。
但不管怎么说,沙普利的测量早一次刷新了我们对宇宙大小的认识。好了今天的内容就到这里,下节课我们说天文学最重要的一次辩论。