廣角鏡《揭秘膨脹宇宙~遨遊星雲世界~天文學家愛德溫·鮑威爾·哈勃》~宇宙銀河星系系列(10)

本文講述的就是被世人尊為“星系天文學之父”和“觀測宇宙學奠基者”的天文學家愛德溫·鮑威爾·哈勃的故事。

1.傳奇式的人物

哈勃的一生極具傳奇色彩。他的興趣愛好非常廣泛。早在中學時代其體育運動就很突出。他在籃球、網球、棒球、橄欖球、跳高、撐竿跳、鉛球、鏈球、鐵餅、射擊等許多項目上都取得了相當好的成績。在芝加哥大學，他作為一名重量級拳擊運動員而聞名全校。在牛津大學他被選拔為校徑賽隊員，還在一場表演賽中與法國拳王卡龐捷(世界重量級拳擊冠軍和4個級別的歐洲冠軍，法國人視其為民族英雄)交手。1938年，哈勃當選為美國亨廷頓圖書館和藝術館(該館藏有極豐富的英美珍本圖書與手稿)的理事……

哈勃除了第二次世界大戰期間曾在美國軍隊中參與領導彈道學研究，並在馬里蘭州亞伯丁試驗場超聲風洞實驗室擔任領導工作外，始終未離開威爾遜山天文臺。哈勃晚年擔任威爾遜山和帕洛瑪山天文臺研究委員會主席。1949年末，帕洛瑪山口徑5.08米的反射望遠鏡正式投入觀測，哈勃是它的第一位使用者。

1953年9月27日，哈勃在自己的書房裏度過了下午和晚上。9月28日上午，他在辦公室裏同自己多年來的親密同事赫馬森談論了新的工作設想。赫馬森回憶：“當他解釋自己腦海裏所想的東西時說得很快，甚至不知什麼緣故，很著急。”然後，哈勃走回家去吃午飯。“我們注意到他顯得快活而有幹勁，看上去是多麼健康。”

哈勃夫人格雷斯在開車回家途中發現丈夫沿街大踏步地走著，同時揮舞著手杖。她讓他上車，然後他和往常一樣，問她：“你度過了怎樣的一個上午？”此時他們離家大約尚有1500米。當她就要拐入車道之際，停車向他看了一眼，只見他筆直向前瞪著眼，帶著一種令人迷茫的表情，並用一種奇特的方式張開嘴唇呼吸。她覺得奇怪，因而問道：“怎麼啦？”

“不要停車，直駛，”他平靜地回答，而格雷斯突然變得驚恐起來。她將車開進院子，下車繞到他坐著的一側，同時尖聲叫喊女管家伯塔。不一會兒，哈勃看上去已經昏厥，不能對格雷斯的呼叫聲和觸摸作出反應，伯塔探摸他的脈搏，但是毫無動靜。格雷斯立刻打電話給醫生斯塔爾。後者使她確信，腦血栓的形成幾乎是瞬間的，又沒有疼痛。“它會在任何時候在任何人身上發生。”

多年前，愛德溫曾說過，當這個時刻來臨之際，“我希望靜悄悄地消失”。他沒有喪禮，沒有追悼會，也沒有墳墓供哀悼者表示最後的敬意。銅骨灰匣埋葬在一個秘密的地方。

2.好萊塢影星的偶像

1937年3月4日晚，美國電影藝術學會在洛杉磯舉行年度頒獎儀式。該學會主席、導演弗蘭克·卡普拉曾因影片《發生在某夜》榮獲奧斯卡獎，並即將因影片《迪茲先生進城》而再獲奧斯卡獎。

愛德溫·鮑威爾·哈勃夫婦作為卡普拉的賓客，參加頒獎儀式。當卡普拉向與會者介紹這位世界上活著的最偉大的天文學家時，哈勃起立致意，三隻巨型聚光燈集中照在他身上，全場掌聲雷動。

極少有科學家能像哈勃那樣，成為好萊塢影星們的偶像。媒體的宣傳使人們知道他在威爾遜山天文臺工作。於是，驅車上山注視當時世界上最大的那架口徑2.54米的天文望遠鏡，以及一睹哈勃本人的風采，便成了一種高雅的時尚。通常這必須預約，以便哈勃夫人格雷斯·伯克·哈勃在場充當女主人。

當時有一位精明的電影編劇和劇作家阿尼塔·露絲，她的暢銷書《君子好逑》曾改編成百老匯轟動一時的音樂喜劇。1937年初，露絲函詢有關參觀的特許事項。哈勃知道她的名字，便安排她4月底偕夫君同來天文臺參觀。哈勃“長得很高又很健壯”，穿著系帶的高統靴和敞開領口的法蘭絨襯衫，正在高高位於頭頂的似乎搖晃著的小平臺上工作。對露絲來說，他真是太帥了，一定得看個夠！

露絲成了格雷斯的少數幾個知心女友之一，她為其他人的參觀鋪平了道路。奧斯卡獎得主、女明星海倫·海斯參觀以後寫道：“我們都感到好奇，因為一塊很小的、剛合人眼窩的玻璃，卻能向外擴大而包含整個宇宙。它好像把我們置於接近永恆的地方。”

在好萊塢真有點像在天上，那裏有各種不同“星等”的明星，最明亮的就是神話般的查理·卓別林。卓別林與哈勃同歲，哈勃夫婦于1938年11月首次與其晤面，1940年11月他們又出席了卓別林的名片《大獨裁者》的開幕式。

和卓別林相遇之後，哈勃夫婦在心中盤算：“現在我們想見誰呢？”確實，他們想見的人遠不如想見他們的人那樣多。

那麼，哈勃究竟為什麼如此神奇呢？要回答這個問題，還得從“星雲”究竟是什麼談起。

3.旋渦星雲之謎

古希臘學者德謨克利特曾天才地猜測，橫亙天穹的銀河其實是一大片星星構成的“雲”。但在很長時間中，多數歐洲人都信奉亞里斯多德的想法：銀河是地球大氣層發光的具體表現。

1609年，義大利科學家伽利略發明了天文望遠鏡。他從望遠鏡中看到，白茫茫的銀河被分解成了無數的星星，從而證明德謨克利特的猜想完全正確。18世紀中葉，英國的湯瑪斯·賴特、德國大哲學家康得等人開始思索恒星在太空中的真實分佈。

1750年，賴特首先解釋了銀河環抱天穹的原因。他設想，天上所有的恒星組成一個扁平的透鏡狀集團，其形狀像一個車輪或一張薄餅；地球所處的位置使我們沿這塊“透鏡”的長軸看去可以看到極其大量的恒星，星光融成一片就成了銀河；但沿著這塊“透鏡”的短軸看去，卻只能看見稀稀疏疏的少量恒星，它們的後面便是黑暗的空間。總的說來，賴特的見解基本正確。

康得進一步認為，我們置身其中、包含銀河在內的這個恒星系統是個孤島般的集團，在遠離它的空間內必定還有別的孤島般的恒星系統，他稱它們為“島宇宙”。他還說明，如果從十分遙遠的地方觀看我們自己這個銀河系統，那麼它必定與當時從望遠鏡中看到的一些雲霧狀斑塊——即“星雲”非常相似。康得的思想大大超越了他的時代，在此後170年中，天文學家才逐漸證實了他的正確性。

18世紀末葉，英國天文學家威廉·赫歇爾巧妙地確定了我們身處其中的這個龐大恒星系統——“銀河系”的形狀。它確實有點像一塊透鏡，赫歇爾認為它包含的恒星總數也許有好幾億。今天我們知道，銀河系中的星數超過2000億顆。

20世紀初，荷蘭天文學家卡普坦首次較為精確地測定了銀河系的大小。他於1922年得出銀河系的尺度約為40000光年。儘管這還是比銀河系的實際尺度小，但在當時已大大拓寬了人們的眼界。同時，天文學家們也更急切地希望弄清：太空中是否果真存在著與銀河系相似的眾多“島宇宙”？

無月的晴夜，在無人為光源干擾的情況下，具有正常視力的人用肉眼即可看出，在仙女座中有一顆“恒星”宛如一小塊暗弱的霧狀光斑。這就是天文望遠鏡發明之前人們早已知曉的“仙女座大星雲”(見左圖)。康得猜想它正是一個島宇宙，只因距離太遠而顯得模糊不清。

從天文望遠鏡中可以看見許多與仙女座大星雲相仿的雲霧狀天體。起初，天文學家將它們統稱為星雲。後來，赫歇爾發現，不少星雲在大望遠鏡中被分解成了一顆顆恒星，另一些星雲則無論如何也分解不出恒星來。他認為後者乃是由大團氣體物質組成的真正的星雲。

1864年，英國天文學家威廉·哈金斯用光譜分析法進一步揭示了星雲的本質。恒星的光譜是“吸收光譜”，即在明亮的連續光譜背景上呈現出許多暗的“吸收線”；稀薄氣體的光譜則是“明線光譜”，即只有一些明亮的“發射線”，而不存在連續光譜背景和吸收線。哈金斯觀測了赫歇爾無法分解為恒星的一些星雲的光譜，結果看到的是明線光譜。於是，他說：“星雲之謎被我窺破了，它不是一群星，而是一團發光的氣體。”

看來，天空中那些雲霧狀的光斑可以分為兩大類：一類是真正的氣體星雲，其光譜為明線光譜，它們位於銀河系內，因此又稱“銀河星雲”。另一類是能用當時的望遠鏡分解為眾多恒星的天體集團，它們的光譜和恒星一樣，也是吸收光譜。但後來查明，它們並非康得設想的島宇宙，而是位於銀河系內的另一種規模較小的恒星集團，稱為“球狀星團”。

但是，還存在著第三種類型的雲霧狀光斑：它們具有和普通恒星一樣的吸收光譜，可是即便使用相當大的望遠鏡，也分辨不出其中的單個恒星。它們往往具有某種旋渦狀的結構，所以被稱為“旋渦星雲”。

人們對旋渦星雲的本質爭論不休。1920年4月26日，美國國家科學院就此舉行了一場舉世聞名的大辯論，對壘雙方都是當時天文學界的“大腕”：哈洛·沙普利和希伯·道斯特·柯帝士。柯帝士主張這些旋渦星雲是“像我們自己的銀河系一樣的島宇宙；作為銀河系外的恒星系統，這些旋渦星雲向我們指示了一個‘比先前想像的’更為宏大的宇宙”。沙普利卻堅持認為“旋渦星雲根本不是由典型的恒星構成，而是真正的星雲狀天體”。辯論雙方各自闡明于己有利的天文觀測證據，但是都未能說服對方。

4.造父變星解惑

徹底揭開旋渦星雲之謎的正是哈勃。1889年11月20日，哈勃出生於美國密蘇里州馬什菲爾德的一個律師家庭，後在芝加哥上中學，並就讀于芝加哥大學，1910年在該校天文系畢業，獲理學士學位。同年前往英國牛津大學女王學院，主攻法學，於1912年獲文學士學位。1913年哈勃回到美國，在肯塔基州路易斯維爾開設一家律師事務所。1914年，他前往芝加哥大學葉凱士天文臺，任著名天文學家弗羅斯特的助手和研究生，1917年獲博士學位，學位論文題目是“暗星雲的照相研究”。

當時，美國最著名的天文學家喬治·埃勒裏·海爾注意到了哈勃的天文觀測才能，便建議他去由海爾本人創建的威爾遜山天文臺工作。但是，第一次世界大戰正酣，哈勃成了陸軍士兵。他隨美軍赴法國服役，晉升至少校。戰後又隨美軍留駐德國，直至1919年10月返美，隨即赴威爾遜山天文臺與海爾共事。那時恰逢當時世上最大的口徑2.54米的反射望遠鏡在該台落成不久(見左下圖)。此鏡強大的聚光能力和很高的分辨本領，為哈勃作出一系列歷史性的發現提供了十分有利的條件。

查明旋渦星雲本質之關鍵，在於弄清它們究竟是位於銀河系內，還是處於銀河系外。也就是說，必須測出它們的距離。天體離地球越遠，直接測量其距離就越困難。為此，天文學家想出許多測量天體距離的間接方法。其中特別重要的“光度距離法”原理如下：

一顆星離我們越遠，看上去就越暗。要是知道了這顆星位於某一標準距離時看起來有多亮(其數值通常用“絕對星等”來表示)，那就可以推算出它處在任何距離上的亮度；反之，只要知道一顆星的絕對星等及其表觀亮度(用“視星等”表示)，便可以推算出它究竟離我們有多遠了。問題是：怎樣才能確定恒星的絕對星等呢？

哈勃用威爾遜山的2.54米望遠鏡拍攝了一批旋渦星雲的照片，並破天荒地在這些星雲的週邊區域辨認出許多“造父變星”。“造父變星”是一類特殊的變星，它們的亮度總是很有規律地變化著：增亮，變暗，再增亮，再變暗……而且其亮度變化的特徵又很容易識別。早在1912年，美國女天文學家亨裏埃塔·斯旺·萊維特已發現，一顆造父變星的亮度變化週期越長，它的發光能力就越強，這就是著名的“造父變星周光關係”。於是，根據一顆造父變星的光變週期，就可以利用周光關係推算出它的絕對星等；再把絕對星等和它的視星等進行比較，就可以推算出它的真實距離了。

造父變星的發光能力都很強，即使離我們遠達數百萬光年，它們也能被觀測到。利用“周光關係”推算出那些造父變星的距離，並進而查明它們所在的星雲究竟是位於銀河系以內還是以外，就為徹底查明旋渦星雲的本質提供了一條具有決定意義的途徑。

1925年元旦，在美國天文學會和美國科學促進會聯合召開的一次會議上，人們宣讀了哈勃的一篇論文，宣佈他用2.54米望遠鏡發現了仙女座大星雲(又名M31)和三角座旋渦星雲(又名M33)中的一批造父變星，並利用周光關係推算出兩者與銀河系的距離均約為90萬光年。當時測定的銀河系直徑僅約10萬光年，因此M31和M33顯然遠遠地位於銀河系以外。在哈勃的時代，銀河系以外的這類恒星集團被稱為“河外星雲”。後來，人們又更確切地改稱它們為“銀河外星系”，或簡稱“星系”。

哈勃本人並未到會，卻分享了美國科學促進會為這次會議設立的最佳論文獎。同年，該文在《美國天文學會會刊》上正式發表，題為“旋渦星雲中的造父變星”。多年以後，一位當初在場的科學家喬爾·斯特賓斯回憶道，哈勃的論文一經宣讀，整個美國天文學會當即明白，關於旋渦星雲本質的這場大辯論業已告終，空間中物質分佈的島宇宙觀念已然確立，宇宙學的一個啟蒙時代已經開始。當時，5年前那場大辯論的兩位主角沙普利和柯帝士都在場。

把宇宙看作一個整體，來研究它的結構、運動、起源和演化的學科叫做宇宙學。在哈勃以前，宇宙學主要是理論家們的天地。哈勃的上述成就則開闢了研究宇宙學問題的全新途徑，即“觀測宇宙學”。觀測天文學家從此可以沿兩條路線繼續前進，即研究單個星系——曾被稱為“島宇宙”的龐大恒星系統——的結構與成分，以及研究大量星系的空間分佈與運動。在這兩方面，哈勃本人都是業績彪炳的先驅者。

5.形形色色的星系

宇宙中的眾多星系，猶如生命世界中的眾多物種，為了研究它們，就應該對其分類。1908年，德國天文學家馬克西米利安·沃爾夫曾經提出一種描述性的星雲分類體系。但他定出的那些類型缺乏變化過渡的連續性。

首先嘗試系統地進行星雲分類的又是哈勃。1922年，他在論文“彌漫銀河星雲的一般研究”中提出，星雲可分為“銀河星雲”和“非銀河星雲”兩大類，它們又各分為若干次類。

1925年，哈勃提出了新的星雲分類方案。他發現，多數河外星雲都有一個占主導地位的核心，整個星雲則對它表現出某種旋轉對稱性，不具備中心核和對稱性這兩項特徵的僅占極少數。哈勃分別將它們稱為“規則星雲”和“不規則星雲”。規則星雲又分為兩大類，即“橢圓狀的”和“旋渦狀的”，每一類各有一個有規律的形態序列。“橢圓”序列之末與“旋渦”序列之首形態相近，幾可銜接。而旋渦星雲本身又分成兩個平行的子序列，哈勃分別稱它們為“正常旋渦星雲”和“棒旋星雲”。

在1936年出版的《星雲世界》一書中，哈勃對此作了更詳盡的描述，並繪製了著名的星雲形態序列圖——即所謂的“音叉圖”。他說：“橢圓星雲形成叉柄，球形的E0處於底端，透鏡形的E7則剛好在柄與叉臂交接處的下方。正常旋渦星雲和棒旋星雲沿兩條叉臂展開”。他還說：“柄與臂的交接處或許可用一種多少帶有假設性的類型SO——它在所有的星雲演化理論中都是一個非常重要的階段——來表示。”後來，人們確實發現了許多SO型星系，並正式稱呼它們為“透鏡狀星系”。今天，人們將這種序列圖稱為“哈勃星系形態序列”。它在看來紛亂龐雜的星系世界中引入了秩序，為人們進入這個神秘的世界提供了一幅總體導遊圖。(見上圖)

在此後的10年中，天文學家們有一種流行的看法，即認為原始的星系在逐漸收縮的過程中越轉越快，從而變得更扁平，並從赤道部分甩出碎片。就這樣，原始的橢圓星系逐漸演變成了扁扁的旋渦星系。然而，在20世紀40年代，美國天文學家巴德卻提出了相反的看法：星系演化的順序可能是旋渦星系因失去旋臂結構而逐漸轉化為橢圓星系。

在隨後的半個世紀中，天文學家們漸漸意識到，星系的分類序列並不就是它們的演化序列。星系的演化與它們形成時的初始條件或所處的環境密切相關，但是星系形成的具體過程目前依然莫衷一是。

6.膨脹的宇宙

宇宙學是把宇宙作為一個整體，來研究其結構、運動、起源和演化的學科。現代宇宙學在理論方面肇始於愛因斯坦1917年發表“根據廣義相對論對宇宙學所作的考察”一文。20世紀20年代，蘇聯數學家弗裏德曼和比利時天文學家勒梅特，先後以愛因斯坦的廣義相對論為基礎，從理論上論證了宇宙隨時間而膨脹的可能性。在觀測方面，美國天文學家斯萊弗在1917年已初步證明，許多旋渦星雲都正以巨大的速度遠離我們銀河系而去。

1929年，哈勃發表了堪稱經典的重要論文“河外星雲距離與視向速度的關係”，令人信服地論證了：距離我們越遠的河外星雲，沿著觀測者視線方向遠離我們而去的運動速度就越大，而且速度同距離兩者之間存在著很好的正比關係。這就是舉世聞名的“哈勃定律”。1930年，英國天文學家愛丁頓把河外星雲普遍遠離我們而去的現象解釋為宇宙的膨脹效應。也就是說，哈勃定律為宇宙膨脹提供了首要的觀測證據。

哈勃定律的確立是20世紀天文學一項十分重大的成就，它使人類的宇宙觀發生了深刻變化。它表明宇宙在整體上靜止的觀念已經過時，取而代之的是一幅空前宏偉的膨脹圖景：宇宙的各部分都在彼此遠離，而且各個部分互相遠離的速率與它們之間的距離成正比。緊接著的任務乃是更準確地測定宇宙膨脹的速率，以及膨脹速率本身如何隨時間而變化。至今，天文學家們仍在為這些艱巨的任務而不懈地工作著。

7.諾貝爾獎的遺憾

哈勃是有史以來最重要的天文學家之一。其一系列開創性工作使他贏得了“星系天文學之父”的尊稱，並被授予美國佛蘭克林金獎、英國皇家學會金獎等許多褒獎和榮譽。

哈勃夫人格雷斯曾聽說，兩位諾貝爾獎委員會委員——費米和錢德拉塞卡，已和他們的同事一致投票選舉哈勃為諾貝爾物理學獎得主。後來，天文學家傑佛瑞·伯比奇和瑪格麗特·伯比奇夫婦倆與錢德拉塞卡交談之後證實了這一傳聞。可是，諾貝爾獎不授予已故者，死神在關鍵時刻剝奪了20世紀最偉大的天文學家應得的榮耀。

哈勃去世後，遵其遺囑，他的科學史古籍珍本贈送給了威爾遜山天文臺。他身後則留下了一長串與他的大名相連的天文學術語：哈勃分類法、哈勃序列、哈勃常數、哈勃定律、哈勃半徑、哈勃年齡等，乃至家喻戶曉的哈勃空間望遠鏡。

哈勃去世已逾半個世紀，而他的發現依然閃耀著迷人的光彩。我們的宇宙在繼續膨脹，哈勃定律依然成立，新發現的無數星系大多仍能納入哈勃當初制定的分類法……。所有這些，都使著名科學作家蓋爾·E·克裏斯琴森在其1995年問世的力作《星雲世界的水手——哈勃傳》的結尾寫下了大天文學家哈雷創作的、置於牛頓《自然哲學的數學原理》書前的那行詩句：[他]更靠近凡人無法接近的神。

名詞解釋

光年

天文學中常用的距離單位。真空中的光速約為30萬公里/秒，光在真空中行進1年所通過的距離就是1光年，其長度約為9.46萬億公里，或者更約略地說，約為1013公里。

星等

表示天體亮度等級的物理量。西元前2世紀，古希臘天文學家伊巴穀按亮度把恒星分為6個等級：最亮的那些是“1等星”，人眼勉強能看見的暗星為“6等星”。19世紀中期，英國天文學家波格森發現，那些1等星的平均亮度差不多正好是6等星平均亮度的100倍。由此他確立了一套定量標準：星等數每差5等，亮度就相差100倍；相應地，亮度每相差2.512倍，星等數就相差1等。比6等更暗的是7等、8等……，比1等更亮的則是0等、-1等……為了精確起見，星等常需用小數表示，例如北極星是1.99等，天狼星是-1.46等。

絕對星等

不同天體看起來亮度不一，直接原因有二：一是不同天體本身的發光能力各不相同，二是它們同我們的距離各不相同。在地球上看到的天體表觀亮度稱為“視亮度”，與之相應的星等稱為“視星等”。設想把所有的天體都“移到”某個“標準距離”(在天文學中，它被取為32.6光年)處，再來確定它們的星等值，就稱為“絕對星等”。絕對星等表徵了天體的實際發光能力。例如，太陽和天狼星的絕對星等分別是4.8等和1.3等，可知天狼星的發光能力約為太陽的25倍。

造父變星

“仙王座δ”是一顆亮度變化極有規律的變星，從一次最亮變到下一次最亮歷時5.37天，而且其光變模式也很確定，總是急劇增亮，緩慢變暗。在天文學中，光變模式與其相似的變星統稱為“仙王δ型變星”。又因“仙王座δ”在中國古代稱為“造父一”，故“仙王δ型變星”又稱“造父變星”。