02 通往宇宙的“垫脚石”

星系研究在20世纪20年代开始兴起，主要原因在于大型望远镜的发明和摄像技术的改进。有了这些先进设备的助力，我们就可以拍摄发光更微弱、距离更遥远的天体的清晰图像和光谱。分光光度法对发现旋涡星云光线的红移至关重要，而摄像技术则是发现造父变星周期与亮度间关系的关键技术。1918年，在加利福尼亚州的威尔逊山上，一架口径100英寸（约2.5米）的望远镜 投入使用（图3），它成为之后近30年里世界上最强大的望远镜。埃德温·哈勃正是用它和一系列精心设计的计算步骤，成功测量了宇宙中遥远星系与我们的距离。

1914—1917年间，哈勃是芝加哥大学的一名博士研究生，而叶凯式天文台恰好隶属芝加哥大学。哈勃的天文学研究生涯正是从那一时期开始的。当时，他的研究项目是用一架40英寸（约1米）折射望远镜拍摄微弱星云的照片。当时，这是世界上最好的望远镜之一，也是有史以来人类建造的最大的折射望远镜。对于相同尺寸的望远镜，使用透镜的折射式望远镜一般比使用反光镜的反射式望远镜效果更好；但是反射式望远镜可以做得更大，原因是可以从背面支撑反光镜，同时又不会因此遮挡光线。按照观测计划，哈勃研究了星云的本质特征，并根据外观对星云进行了分类。到1917年时，这些观测已使他确信，星云一定远在银河系之外，特别是那些巨大的旋涡星云。

但在当时，这些想法并未得到更进一步发展。由于美国加入了第一次世界大战，1917年4月，刚刚完成博士论文答辩的哈勃就自愿参军去了。哈勃曾在法国服役，并获得少校军衔，但从未参加过战斗。直到1919年9月，哈勃才返回威尔逊山天文台，成为该天文台正式的工作人员。在那里，他成了最早使用崭新的100英寸望远镜的人之一。抓住这次机会，哈勃将其博士论文发展成了一个完整的分类体系，并于1923年完成了此项工作。尽管哈勃一直用“星云”（nebulae）一词来指代那些虚幻缥缈的天体，但他确信这些星云位于银河系之外。这个想法很快就被证明是正确的。按照现在的说法，这些所谓的“星云”应该被称为“星系”（galaxy）。哈勃的早期工作揭示出的最重要的信息就是：太空中确实存在不同种类的星系，而巨大的旋涡星系只是这些天体中最醒目的一类而已。

哈勃指出，除了一小部分相对较小、形状不规则的星系，如小麦哲伦星云以及与其相似的大麦哲伦星云之外，所有星系都可以根据其形状来分类。椭圆星系是指那些从球形到拉长的透镜形等形状不一、没有明显内部结构的星系。旋涡星系是指那些内部有旋臂结构的星系，无论缠绕得松或紧，旋臂都是从星系中心向外展开的。也有的旋涡星系中央是一个棒状结构，旋臂从棒状结构的两端向外延展。哈勃认为，在演化的过程中，任何一种松散的旋涡星系，都将随着旋转，缠绕得越来越紧密，最终变成椭圆星系。在这一点上哈勃完全错了，但这并不影响他基于星系外观的分类体系。目前人类已知的宇宙中，最大的星系正是椭圆星系。但是，也有比一些旋涡星系小的椭圆星系。另外，一些最初被认为是“旋涡”的星系，实际上是根本没有可识别旋臂结构的盘状恒星系统，因此，最好使用“ 圆盘星系 ”（disc galaxy）这个术语，它包含了那些有旋臂的星系。不过直到现在，许多天文学家在谈论基本上没有特征的圆盘星系时，也依然会使用“ 旋涡星系 ”（spiral galaxy）一词。

哈勃在威尔逊山天文台工作时，与沙普利有过短暂的交集。1921年3月，沙普利离开威尔逊山天文台前往哈佛大学任职。当哈勃开始使用100英寸望远镜试图证实星云是独立星系时，反对他的更资深的天文学家已经离开了。不管怎么说，随着观测资料的不断丰富，在20世纪20年代初，宇宙岛理论开始得到部分天文学家的支持。那时，丹麦天文学家克努特·伦德马克（Knut Lundmark）访问了利克天文台和威尔逊山天文台，看到了名为M33的星云（星系）照片。这些照片足以说服他（虽然并未说服沙普利），图像上的那些颗粒能够表明星云是由恒星构成的。1923年，有人在星云NGC 6822中发现了几颗变星，但它们过了一年才被确定为造父变星，那时，哈勃已经突破性地在仙女座星系（M31）中发现了造父变星。

实际上，哈勃并不是在寻找造父变星。1923年秋，哈勃完成了星云分类体系后，又接手了柯蒂斯的主要工作之一，用100英寸望远镜开始了一系列拍摄观测，目的是在M31的一条旋臂中寻找新星。很快，也就是在那一年10月的第一周，哈勃发现了3个明亮的光点，在照片里看起来就像新星。由于这架100英寸望远镜已经运行了好几年，所以积累了一批拍摄档案，其中就包括对M31相同区域的观测照片。这些照片是由包括沙普利和弥尔顿샀哈马逊（Milton Humason）在内的几个观测者拍摄的，哈马逊后来成为哈勃最亲密的合作伙伴。这些照片显示，哈勃暂定为新星的3个光点之一，实际上是造父变星，其光变周期稍长于31天。出乎预料的是，使用沙普利校准的造父变星距离标度进行计算，立即得出它距离地球有近100万光年（300千秒差距）的惊人结果，这甚至比沙普利对银河系大小的估计的3倍还要大。出于更全面的考虑，他后来对整个距离标度进行了修正，其中部分原因就是考虑了恒星消光的影响。我们现在知道M31实际上位于785千秒差距远的地方，大约相当于银河系直径的20倍之外。1923年，几乎就是从M31中发现这颗造父变星的同时，哈勃立刻意识到，这家伙确实是个星系！而且是一个位于银河系之外，多少有点像我们银河系的星系！

在接下来的几个月里，哈勃在M31中又发现了1颗造父变星和9颗新星，而且依据它们分别测出的距离大致相同。在其他星云中哈勃也发现了造父变星和新星。1925年1月1日，在华盛顿特区举行了美国天文学会和美国科学促进会的联合会议。哈勃把所有观测结果都写进了一篇论文中，并提交给了大会。哈勃并没有出席会议，而是由亨利샀诺里斯샀罗素（Henry Norris Russell）代他宣读了这篇论文。哈勃完全没有必要再进行其他说明，论文阐释了一切。与会者完全赞同他的观点，星云的本质特征最终得到了确定，宇宙比以前的估算大了很多，而银河系只是其中的一个“岛屿”——哈勃取得了完胜。其实，早在那次会议之前，哈勃就写信给沙普利，告诉了他这些发现。沙普利读这封信时，一个从1923年起就跟随沙普利攻读博士学位的研究生——后来的天文学家塞西莉亚샀佩恩-加波施金（Cecilia Payne-Gaposchkin）碰巧就在沙普利的办公室里。“喏，”沙普利把信递给她时说，“这封信摧毁了我的宇宙。”虽然大辩论就此结束了，但哈勃使用了造父变星技术，这给沙普利的银河系模型及其学说——特别是否定太阳在我们的星系中位于中心地位这一点增加了分量。对沙普利来说，这或许多少是一种安慰。

如果说沙普利的宇宙已经被摧毁了，那么新宇宙——哈勃的宇宙会是什么样子的呢？宇宙如此之大，即使是使用100英寸望远镜的哈勃，也只能拍摄那些距离非常近的星系中的造父变星的照片，更别说那些使用较小望远镜的观测者了。哈勃对测量宇宙尺度的想法非常着迷，甚至达到了痴迷的程度。这促使他积极寻找其他方法，以便测量造父变星技术无法测量的距离。到20世纪20年代中期，他开始了这项工作。

为此，哈勃收集了一系列“垫脚石”，借助这些“垫脚石”，观测者可以眺望越来越远的宇宙。首先是造父变星，造父变星的亮度只能用来测量离得最近的几个星系的距离，而且在哈勃太空望远镜问世之前只有几十个被发现。接下来是新星，新星比造父变星稍亮一些，可观测的距离更远。在根据造父变星确定了M31的距离之后，哈勃就用这个距离校准了M31中新星的亮度。这样一来，新星就成了距离测量的新标尺。然后，哈勃先假设所有的新星都具有相同的固有亮度，接下来，利用新星测量更遥远星系的距离。100英寸望远镜及后来的望远镜拥有强大的分辨力，这对哈勃来说，意味着其他测距技术也变得可行。比如，星系中最亮的恒星比造父变星亮得多，也可以充当示距天体。这里他假设所有星系中最亮恒星的亮度都一样，原因是恒星的亮度肯定有上限。哈勃还利用遥远星系中的球状星团，猜测每个星系中最亮的球状星团一定具有大致相同的固有亮度。超新星的秘密一经破解，也以同样的方式被加入破解宇宙秘密的“垫脚石”行列。

另外，哈勃还基于整个星系的亮度，以及星系在天空中的表观（角度）大小，进行更粗略更迅速的距离估计。如果每个旋涡星系都和M31一样明亮，都和M31一样大，那么只需将这些星系与M31进行比较，就很容易测量它们的距离。不幸的是，事情远不是如此简单，哈勃自己也心知肚明。但由于没有更好的方法，所以他将一些看起来非常相似的星系进行比较，为的是至少能得到一点有关于距离的指引。

这些技术都称不上十全十美，但只要有可能，哈勃还是尽可能多地将这些技术应用到每个星系上，希望能借此消除一些误差和不确定性。然而，这一切都需要时间。1926年，哈勃着手绘制银河系周围的星系分布图，沿着斯里弗等人得到的红移数据中的线索，借助充足的数据，再加上周密的思考，哈勃的研究终于取得了巨大的飞跃。

1925年，哈勃在对星系进行光谱分析后发现，其中发生红移的有39个，发生蓝移的只有2个。事实上，斯里弗才是第一个测量这些星系红移的人。哈勃测量的星系中只有4个是斯里弗没测过的。但斯里弗受望远镜性能的限制，没能继续测量。斯里弗使用的是洛厄尔天文台的一架24英寸（约60厘米）的折射望远镜，总计测出了43个星系的红移。从这些数据可以隐约看出，红移越大，星系的距离就越遥远。其实，这一点早就有人注意到了，只不过是哈勃拥有得天独厚的天文学家身份，坐拥当时世界上最强大的望远镜，因而最有机会证实这一点罢了。他就是那个出现在正确的时间、正确的地点的人。哈勃想要找出星系距离和红移之间的精确关系，这是他逻辑链条上的最后一环。有了这一环，通过红移量测量宇宙大尺度的距离就成为可能。

1926年，哈勃开始寻找红移与星系距离之间的联系，此时，他将所有精力都集中于这一工作。他已经获取了很多天体的距离数据，并将在接下来的几年里获取更多。但是100英寸望远镜从未用于红移测量，为了开展这项艰苦的测量工作，哈勃需要一个既有能力又愿意付出的同事。哈勃选择了出色的观测员哈马逊。显然，这是因为哈马逊的级别没有他高，因此外界能清楚地看到谁才是团队的领导者。经过一番艰苦努力后，他们改造好了100英寸望远镜，哈马逊特意选择了一个特别暗淡的星系作为第一个红移测量对象。因为这个星系太暗淡了，所以斯里弗从未用这种方法研究过它。哈马逊得到的红移速度相当于3000千米/秒，是斯里弗得到的最大测量值的两倍多。哈勃和哈马逊的合作伙伴关系正式开始了。

到1929年，哈勃确信已经发现了红移和星系距离之间的关系。而且这正是他所希望的最简单的关系——红移与星系距离成比例。或者，换句话说，星系距离与红移成正比，对哈勃而言这才是最重要的。如果一个星系的红移是另一个星系的两倍，那么其与我们的距离也是另外那个星系的两倍。二人合作取得的第一批成果发表于1929年。其中，哈勃提供了24个已知红移和已知距离的星系的数据，并根据这些数据计算出“红移-距离关系”的比例常数为525千米/（秒샀百万秒差距），写作km/（s샀Mpc）。也就是说，一个具有相当于525千米/秒红移速度的星系，距离地球有100万秒差距（325万光年），其他星系依此类推。哈勃选择这个特定的数字就像其他任何事情一样，看起来都是一厢情愿的，因为有限的数据量并不足以证明所用数字的准确性。但在1931年，哈勃和哈马逊共同发表了一篇论文，又加进50个红移星系数据，强化了这个结果（图5）。其中，最大的红移量相当于2万千米/秒，与哈勃3年前得到的数字更为接近。很明显，早在1929年哈勃就获得了其中一些数据，但出于某种原因，他选择将这些数据秘而不宣。

哈勃既不知道也不关心为什么红移-距离关系会存在，他甚至没有提到这种关系意味着红移的星系正在退行。虽然按照惯例，红移通常以千米/秒为单位，但除了在太空中运动产生红移之外，还有其他原因可以产生红移（例如强引力场）。20世纪30年代，哈勃谨慎地猜想，可能存在未知的因素在起作用。他在《星云王国》（The Realm of the Nebulae）一书中写道：

为了方便起见，红移可以用速度单位来表示。红移的变化与速度变化一样，并且可以非常简洁地用熟悉的尺度表示，不管最终的解释是什么。“表观速度”（apparent velocity）一词的使用要谨慎，前面的形容词有重要的含义，并不像在一般用法中那样可以省略。

不管红移-距离关系的起源是什么，哈勃确实证明了它就是测量宇宙尺度的终极工具，其比例常数被称为哈勃常数，用H表示。自1931年以来，所有对银河系以外天体距离测量的目的只有一个，那就是校准哈勃常数。所有这些研究，对于理解星系及其在宇宙中的位置都具有重大意义。但是，在此之前，似乎应该首先梳理一下对银河系的理解。银河系——这个普普通通的圆盘星系，是人类孤悬在太空中的唯一家园。 49B1Nu4sA3Tmut2wTvxV9XRCrWOHbJEtAZbp97dx8NrPTF5FQja83ghfUm9UwuYE