本篇是“從哈勃到哈勃超深場”系列的第一篇

本篇文章我們將解決以下問題

1，肉眼可觀測最遠(yuǎn)天體是什么？

2，如何觀測這個(gè)天體？

3，1920年世紀(jì)大辯論的爭論焦點(diǎn)是什么？

4，誰解決了這個(gè)問題？他是怎樣一個(gè)人？

5，造父變星是什么？

6，燭光測距原理是什么？

7，天文學(xué)家是如何測定星星離我們距離的？

8，世紀(jì)大辯論是如何解決的？

壯美而神秘的仙女座星系

現(xiàn)在是秋天，如果你所在的位置光污染并不嚴(yán)重，在晴朗夜空的東北方向就會(huì)看到一個(gè)紡錘狀的橢圓光斑，那就是仙女座大星云，它是人類肉眼可見的最為遙遠(yuǎn)的天體之一。照片右上方那個(gè)明亮的光斑就是仙女座大星系，用50到100倍左右的望遠(yuǎn)鏡就可以清晰觀察到，但要是情況而定

這是國內(nèi)天文愛好者用自己的望遠(yuǎn)鏡和處理軟件拍攝的仙女座大星云照片，經(jīng)過曝光，疊加，降噪等過程后的照片也是非常精美了。拍攝者沒有署名，照片來自天文論壇

來自遙遠(yuǎn)仙女座星系的光子，飛行了254萬年，穿過浩瀚宇宙抵達(dá)太陽系，打在距離地球569千米的哈珀太空望遠(yuǎn)鏡感光鏡片上，呈現(xiàn)上面這個(gè)照片。

      來自遙遠(yuǎn)的仙女座星系在天文學(xué)中的編號(hào)為M31，它是一個(gè)著名的擁有巨大盤狀結(jié)構(gòu)的旋渦星系，又稱NGC224。仙女座星系距地球254萬光年，是距銀河系最近的大星系（另一個(gè)就是三角座大星系）。人們對(duì)仙女座星系的觀測由來已久。

1764年8月3日，法國天文學(xué)家梅西葉（CharlesMessier）發(fā)現(xiàn)了它，將它編號(hào)為31號(hào)，故而又稱M31。生活在100多年前的梅西葉將110個(gè)明亮天體編成星表，制成了著名的“梅西耶星團(tuán)星云列表”

世紀(jì)大辯論

      到了20世紀(jì)，許多不同的星云都以為天文學(xué)家所熟知，但其性質(zhì)尚未完全了解。18世紀(jì)的Messier目錄中包含了許多星云，而19世紀(jì)的NGC目錄則包含了數(shù)千個(gè)星云。 到20世紀(jì)早期，隨著技術(shù)爆炸，觀測手段也越來越強(qiáng)大，這些目錄中的一種特定類型的像M31一樣的“螺旋星云”，引起了很多爭論，因?yàn)檫@些星云的性質(zhì)尚未被揭秘。

大家都知道我們的銀河系有四條旋臂，從銀心向外依次是：三千秒差距臂，人馬旋臂，獵戶旋臂和英仙旋臂。我們的太陽系是在第三旋臂即獵戶旋臂上。前文提到仙女座星系也是由旋臂（2條）構(gòu)成的旋渦星系。人們的爭論就在這兩片旋渦星系上。

      關(guān)于螺旋星云的爭論的兩個(gè)方面與銀河系的大小及其與宇宙整體的相對(duì)關(guān)系有關(guān)。一方面，一些天文學(xué)家認(rèn)為銀河系是整個(gè)宇宙的重要組成部分，螺旋星云只是我們銀河系內(nèi)的另一種氣體云。另一方面，一些天文學(xué)家認(rèn)為這些螺旋狀星云是像銀河系一樣的“島嶼宇宙”，它們只是如此遙遠(yuǎn)，以至于它們的恒星沒有被分解為“點(diǎn)光源”，而是被“模糊”在一起，所以它們看起來像一個(gè)星云。這一論點(diǎn)在1920年兩位天文學(xué)家之間的辯論中達(dá)到高潮。

       1920年4月26日，世界上著名的天文學(xué)家齊聚華盛頓美國科學(xué)院史密森尼學(xué)會(huì)的自然博物館的大禮堂中，召開一次規(guī)模盛大的辯論會(huì)，這次辯論掀開了世界天文史嶄新的一頁，所以后來也被稱為世紀(jì)大辯論。這次辯論會(huì)主要是三個(gè)辯題：

1，銀河系到底有多大；

2，宇宙和銀河系關(guān)系；

3，旋渦星云到底是什么；

      在當(dāng)時(shí)的物理及天文學(xué)界中，這是三個(gè)最要命的關(guān)鍵問題，人們對(duì)這它們的爭論由來已久。在這次辯論中，辯論雙方分別是大名鼎鼎的羅伊德·沙普利（Lloyd S. Shapley）和美國著名天文學(xué)家柯蒂斯（Curtis,Heber Doust）。歸根結(jié)底，他們辯論的是一個(gè)至今仍在困惑我們的問題：宇宙的尺度都多大（The Scale of the Universe）。

Harlow Shapley(左)和Heber D. Curtis(右)。關(guān)于他們的情況在這里就不多介紹了，感興趣的朋友完全可以利用google和百度搜一下，關(guān)于他們的故事已經(jīng)汗牛充棟

      與當(dāng)時(shí)絕大多數(shù)天文學(xué)家的認(rèn)識(shí)相同，柯蒂斯堅(jiān)信太陽處在接近銀河系中心的地方；而沙普利認(rèn)為太陽遠(yuǎn)離銀河系中心。

      沙普利發(fā)表論文，通過計(jì)算證明銀河系的直徑達(dá)到了30萬光年，螺旋狀星云和仙女座星云（現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)，那是一個(gè)“大星系”啦）可能是在壓力輻射下從銀河系中驅(qū)逐出來的物質(zhì)，是銀河系中一種星云形狀的“天體”，相對(duì)于銀河系而言它微不足道，而銀河系就是整個(gè)宇宙的代表；柯蒂斯認(rèn)為銀河系直徑只有4萬光年，仙女座星云距離我們至少有50萬光年，這片星云根本就不是一個(gè)天體，而是一個(gè)銀河系以外的像銀河系一樣的獨(dú)立的旋渦星系（就像宇宙中的島嶼，這一說法源于德國哲學(xué)家康德）。

柯蒂斯在“大辯論”中使用的證據(jù)之一，保存于阿勒格尼天文臺(tái)

      沙普利和柯蒂斯都引證了大量的觀測數(shù)據(jù)來佐證，他們各執(zhí)一詞，針鋒相對(duì)，誰也說服不了誰（似乎所有的辯論都是這樣的）。后來這場辯論又稱為沙普利-柯蒂斯世紀(jì)大辯論（Shapely-Curtis Debate）。他們的爭論其實(shí)代表著當(dāng)時(shí)物理和天文學(xué)界兩種主流觀點(diǎn)。

      而就在禮堂一角，有一個(gè)人靜靜地坐著，嘴里面吊著一個(gè)標(biāo)志性的大煙斗，他沒有參與到這場辯論中，只是靜靜地聽著，嘴角泛起了一絲冷笑。誰也沒有想到，就在四年后，這個(gè)人將為這場辯論畫上一個(gè)圓滿的句號(hào)，做一個(gè)終極了斷。他的名字叫做埃德溫·哈勃，一個(gè)傳奇式的人物。

“美神+菲爾普斯+愛因斯坦”

      出生于1889年的哈珀，小愛因斯坦十歲，童年時(shí)哈珀由密蘇里州靠近歐扎克高原小鎮(zhèn)（出生地）遷居到芝加哥郊區(qū)，他哈珀是一名成功的保險(xiǎn)經(jīng)紀(jì)人，像幾乎所有的天文學(xué)家一樣哈珀的小時(shí)候生活的很富足（天文學(xué)家是一個(gè)富豪群體，沒有強(qiáng)大的經(jīng)濟(jì)支撐很難維系天文設(shè)備的龐大開支，畢竟天上星星再多也不會(huì)掉餡餅）。

帥的不像話，是不是？？？

      哈珀天生一副很好的身板，他聰明過人，英俊瀟灑，魅力四射。據(jù)哈珀說有人曾稱贊他美的像美神阿多尼斯，開始我還不信，看到他的照片，我沉默了，你可以拿出年輕時(shí)候年輕時(shí)候迪卡普里奧的照片對(duì)比一下，再對(duì)比一下現(xiàn)今風(fēng)靡的小鮮肉。此外哈珀還常常下水勇救溺水人，更牛X的是就是他聲稱在法國站場上把嚇壞了的士兵帶到安全地帶，曾經(jīng)在表演賽上幾下子就擊倒了拳擊冠軍，看哈珀的資料就像聽評(píng)書似的。或許吧，在哈珀所有的天賦中，吹牛也是其中之一。不過吹牛也是要靠資本的，哈珀在年輕的時(shí)候，卻是展示出了極為過人的天賦，他有些真實(shí)的精力也讓人們感覺厲害到了有些荒謬的程度。

1909年芝加哥大學(xué)校際冠軍籃球隊(duì)合影， 哈勃就在左邊。你覺得帥不帥呢？可以在文章末尾留言回復(fù)噠

      在1906年的中學(xué)田徑運(yùn)動(dòng)會(huì)上，17歲的哈珀在跳高，鉛球，鐵餅，撐桿，鏈球，立定跳遠(yuǎn)，助跑跳高項(xiàng)目中都得到了冠軍，同時(shí)還是接力跑冠軍隊(duì)的成員，也就是說，在一次運(yùn)動(dòng)會(huì)上他獲得了七項(xiàng)冠軍，還有一個(gè)跳遠(yuǎn)的第三名！在同一年他又刷新了伊利諾斯州的跳高記錄。

左圖為體育比賽上的哈珀，右圖為1917年哈珀戎裝與姐姐的合拍。哈珀是在第一次世界大戰(zhàn)即將結(jié)束的時(shí)候被派向法國戰(zhàn)場，就在他到達(dá)發(fā)過后不久，第一次世界大戰(zhàn)宣告結(jié)束。戰(zhàn)后哈珀很快就退出現(xiàn)役，哈珀在軍隊(duì)時(shí)間并不長。

      除了體育，他在文化方面也同樣出眾，哈珀輕輕松松地考入了當(dāng)時(shí)知名的芝加哥大學(xué)攻讀物理和天文，就讀期間，他又入選了首批羅茲獎(jiǎng)學(xué)金前往牛津大學(xué)深造。

在英國三年后哈珀就跟換了個(gè)人一樣，回到他的家鄉(xiāng)嘴里經(jīng)常吊著大煙斗，身披長長的披風(fēng)，說一口“洋涇浜”的英國腔，這個(gè)“魔法師”的形象跟了他一輩子，那一年是1913年。

      良好的家庭，嬌美的容顏，強(qiáng)健的體魄，聰明的大腦?？吹竭@里，你的心里是不是有了點(diǎn)絲絲的嫉妒？在您繼續(xù)往下看之前，我要聲明一下，這不是杜撰小說。

仙女座掉下了大（造）餡（父）餅（星）

      到了1919年，30歲的哈珀移居到加州，在洛杉磯附近的威爾遜天文臺(tái)找到了一個(gè)職位，他擁有世界上最大的望遠(yuǎn)鏡，就是這個(gè)威爾遜天文臺(tái)，讓哈珀成為了20世紀(jì)最為杰出的天文學(xué)家之一。

哈珀正在調(diào)試200英寸望遠(yuǎn)鏡

哈珀正在調(diào)試200英寸望遠(yuǎn)鏡

      哈珀一到威爾遜天文臺(tái)，便以近乎瘋狂的狀態(tài)投入到了對(duì)仙女座星云和三角座星云的觀測中，為什么是這兩片星云呢？

      因?yàn)檫@是在北半球肉眼可見的僅有的兩片星云，當(dāng)然了，它們也是離地球最近的兩片星云了。

三角座大星云和仙女座星云。仙女座星云在學(xué)術(shù)上的編號(hào)為M31，三角座星云在學(xué)術(shù)上的編號(hào)為M33，它們都是在天文學(xué)上非常出名的兩片星云。

      哈珀通過威爾遜天文臺(tái)大型的胡克望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)仙女座星云拍了很多很多的照片，經(jīng)歷了不知多少個(gè)孤寂又激動(dòng)的夜晚，終于，他在1923年的十月找到了一顆，它就閃爍在仙女座星系的其中一個(gè)螺旋臂上，被稱為造父變星V1。

圖中顯示的是哈勃太空望遠(yuǎn)鏡拍攝到的造父變星V1和哈勃在1923拍攝到的對(duì)比，時(shí)間相隔約90年。| 圖片來源：NASA/ESA/Hubble Heritage Team

       這顆恒星被稱之為“天文學(xué)史上最重要的一顆恒星”。從V1發(fā)出的光讓一切疑問都變得徹底明朗了：仙女座星系的確在銀河系之外，也因此，銀河系不再是整個(gè)宇宙，它只不過是浩瀚宇宙中眾多星系的一員。

       在這里出現(xiàn)了一個(gè)新的名詞：“造父變星”。讓我來解釋一下。

量天尺—造父變星

      1784年的英國，有一個(gè)年僅20歲的聾啞青年，他沒有借助任何天文工具，僅憑自己的肉眼發(fā)現(xiàn)：英仙座β星是一顆變星，它有2天20小時(shí)49分鐘的穩(wěn)定的光變周期，他把自己的肉眼觀測成果報(bào)告給了當(dāng)時(shí)英國天文學(xué)會(huì)，隨后得到了證實(shí)。

      他就是古德里克，一個(gè)身殘志堅(jiān)的天文學(xué)家，但上帝為他打開了一扇窗，透過這扇窗，古德里克洞悉了宇宙的奧秘。古德里克的觀測結(jié)果極為精確，后來順利地成為英國天文學(xué)會(huì)最年輕的會(huì)員。在他去世前的兩年時(shí)間里他又發(fā)現(xiàn)了另外兩顆變星：仙王座δ星和天琴座β星。因?yàn)橄赏踝男堑?span style="">中國古代星名是造父一，所以漢語中把這類亮度周期變化的星星稱為“造父變星”。

又一位聾啞人

       上帝似乎發(fā)現(xiàn)，他打開的窗戶不夠多。

大麥哲倫星云中造父變星周光關(guān)系和銀河系中造福變星周光關(guān)系對(duì)比。橫坐標(biāo)為造父變星光變周期，縱坐標(biāo)為光度值（您可以理解為發(fā)光強(qiáng)度）

       真正發(fā)現(xiàn)造父變星測距功能的是美國女天文學(xué)家李維特，1908年也是一位聾啞人的李維特在分析小麥哲倫星云中的25顆造父變星的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)有趣的規(guī)律：在一個(gè)光變周期中的平均亮度（視星）越亮的造父變星，它的脈動(dòng)周期就越長。反之，越暗的造父變星光變周期就越短。

1908年，勒維特的論文發(fā)表在了哈佛天文臺(tái)的年報(bào)。| 圖片來源：Harvard College Observatory

小麥哲倫星云，位于杜鵑座，距離我們大約21萬光年，是銀河系的衛(wèi)星星系。它是麥哲倫和他的船員們?cè)诘谝淮苇h(huán)球航行中發(fā)現(xiàn)的，所以取名自麥哲倫（Ferdinand Magellan）

       小麥哲倫星云本身的大小同它與我們的距離相比，是一個(gè)相當(dāng)小的量，所以這25顆星可以近似看作在相同的距離上。因此，它們的視星等相差多少，也就反映了它們本身的光度（絕對(duì)星等）差異。這一關(guān)系反映了這類變星的內(nèi)稟特性，就像強(qiáng)壯的人有強(qiáng)勁而緩慢的脈搏一樣。

船尾座RS（RS Puppis），是一顆位于船尾座的造父變星。| 圖片來源：ESA/Hubble

       造父變星的周光關(guān)系看似簡單，實(shí)則意義非凡。利用觀測到的造父變星光變周期就可（利用李維特的經(jīng)驗(yàn)公式）測定造父變星的絕對(duì)亮度值。

造父變星的亮度變化是由于它們內(nèi)部的氦氣加熱并膨脹、再在一個(gè)反饋回路中冷卻并收縮而變化導(dǎo)致的。這種脈動(dòng)的周期與恒星的本征亮度或光度密切相關(guān)。圖像是歐洲南方天文臺(tái)使用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡捕捉到RS船尾座（RS Puppis）圖像。是不是很漂亮？

標(biāo)準(zhǔn)燭光測距與天體輻射平方反比律

       造父變星光變周期是可以測得的（甚至是肉眼就可觀測），利用李維特經(jīng)驗(yàn)公式你就可以知道造父變星絕對(duì)亮度。然而到現(xiàn)在為止我們還是沒辦法測出仙女座大星系和三角座大星系與我們的距離。不要急，真相不遠(yuǎn)了。

造父變星的光度和脈動(dòng)周期有著非常強(qiáng)的關(guān)系，是可靠且重要的標(biāo)準(zhǔn)燭光。| 圖片來源：NASA/JPL

       想象一下我手握一根亮度（在天文上的專有名詞是本征亮度，因此我們知道單位時(shí)間之內(nèi)蠟燭發(fā)出了多少光）不變的蠟燭（手電也可以），現(xiàn)在我拿著蠟燭向黑暗處離你而去，你看到我手中蠟燭的亮度隨我遠(yuǎn)去逐漸減弱，問題是你能根據(jù)現(xiàn)在看到的燭光亮度（可視亮度）測出我走出多遠(yuǎn)嗎？

       假設(shè)蠟燭（天體）的本身發(fā)光亮度（本征亮度）為Q/ε ，光源均勻發(fā)光向四面八方傳播，只有部分光能夠到達(dá)我們的眼睛為我們所看到（可視亮度），球的表面積為4πr2（這里的2表示平方） ，觀察者每單位面積接受到的能量為天體的總亮度除以這個(gè)面積，其中r是天體到我們的距離，那那么我們觀測到的天體亮度為Q/(4πεr2)。也就是說：可視亮度與距離的平方成反比。

測距原理

       至此，工具齊備。我們來看看天文學(xué)家如何測量星系與我們的距離的。

       相對(duì)于我們與星系之間的距離，星系本身的大小尺度就小太多了，所以我們可以假設(shè)星系中星星的距離就是星系與我們的距離。換句話來說，如果能在星系中找到一顆造父變星，那這個(gè)造父變星與我們的距離大體就是這顆造父變星所在星系與我們的距離。

       為什么偏偏是造父變星？

       因?yàn)?strong>造父變星光度是周期變化的，這個(gè)周期偏偏又是比較好測量的（有些造父變星甚至用肉眼就可測）。測得這個(gè)周期后，利用李維特發(fā)現(xiàn)的周光關(guān)系就可以計(jì)算出造父變星的本征亮度，再利用“可視亮度與距離的平方成反比”就能夠估算造父變星到我們的距離。

       天文學(xué)中把用這種方法測得的距離稱為光度距離。造父變星也成為了天文學(xué)中的量天尺。利用這個(gè)“量天尺”，沙普利曾經(jīng)測出球狀星團(tuán)的距離。

那個(gè)“餡餅”轟動(dòng)天文學(xué)界

此圖顯示在七個(gè)月的期間內(nèi)，造父變星V1的星光呈節(jié)奏性的上升和下降。圖中所示，V1會(huì)在每31.4天內(nèi)完成一次增亮與變暗的脈動(dòng)周期。| 圖片來源：NASA，ESA & Z. Levay（STScI）

      在發(fā)現(xiàn)造父變星V1后，哈珀又接連發(fā)現(xiàn)了另外33顆造父變星。他用了兩年多的時(shí)間，耐心地去繪制這些造父變星的光變周期曲線，從而計(jì)算出了仙女座大星云和三角座大星云離我們的距離，都是約93萬光年。

銀河系、M31仙女座星系、M33三角座星系的相對(duì)關(guān)系

      盡管在今天看來，93萬光年和實(shí)際距離尺度254萬光年相去太遠(yuǎn)，但是在當(dāng)時(shí)這個(gè)距離比沙普利和柯蒂斯的銀河系觀測距離大了可不是一點(diǎn)點(diǎn)，因此當(dāng)哈珀在國際天文界公布研究成果時(shí)候，立即引起了軒然大波，好在哈珀的數(shù)據(jù)工作做得極為扎實(shí)，所有看過他論文的天文學(xué)家基本上都會(huì)十分信服。

銀河系（Milky Way）與仙女座大星系（M31）還有三角座大星系（M33）的相對(duì)位置，光譜分析顯示，仙女座星系正在以110 km/s的速度靠近銀河系。并在大約38億年后，與銀河系開始合并。在這里埋個(gè)伏筆：我們都知道宇宙是在不斷膨脹甚至暴脹的，為什么仙女座星系還會(huì)靠近銀河系，并與銀河系發(fā)生碰撞呢？后幾期文章將為您揭秘。

       關(guān)于為什么哈珀的觀測數(shù)值相比實(shí)際數(shù)值如此之大？可能和星際消光物質(zhì)有關(guān)吧。實(shí)際上沙普利此前測定銀河系直徑也有不小的誤差，但是關(guān)于銀河系尺寸結(jié)構(gòu)的測量還是比較接近實(shí)際的。 

       無疑，哈珀的工作是無與倫比的，但是我們更要感激李維特的工作，正是因?yàn)樗陌l(fā)現(xiàn)，我們才得以真正的開始探索宇宙，而不僅限于研究銀河系內(nèi)的恒星和星云。

勒維特的發(fā)現(xiàn)至今仍被天文學(xué)家廣泛使用。上圖是哈勃太空望遠(yuǎn)鏡在2018年1月公布的“關(guān)于宇宙膨脹率的精確測定”最新結(jié)果正是基于勒維特定律

哥斯塔·米塔-列夫勒

       1925年，瑞典科學(xué)院的數(shù)學(xué)家哥斯塔·米塔-列夫勒在得知她的工作后認(rèn)為她值得獲得諾貝爾獎(jiǎng)。他在給李維特的信中寫道：

尊敬的李維特小姐，

      我的朋友兼同事烏普薩拉的von Zeipel教授告訴加了我關(guān)于你對(duì)小麥哲倫星云的S. 造父變星的星等與周期長度之間的關(guān)系的發(fā)現(xiàn)，該經(jīng)驗(yàn)定律令我印象極為深刻，我非常想要提名你獲得1926年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，盡管我必須承認(rèn)我對(duì)這件事的了解還不完整。

       不幸的是，這封信來得太晚，李維特在1921年便已經(jīng)因癌癥去世。

勒維特的工作在當(dāng)時(shí)并沒有受到最公允的對(duì)待。今天，有許多努力都在試圖讓更多的人知道勒維特的事跡。這其中包括Dava Sobel的著作《玻璃宇宙：哈佛天文臺(tái)的女性如何測量恒星》，書中涵蓋了勒維特的故事；此外，勒維特和她的女同事也是劇作家Lauren Gunderson譜寫的《Silent Sky》的主角。| 圖片來源：圖片來源：SILENT SKY