恒星天文学之父——威廉•赫歇尔

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恒星天文学之父——威廉•赫歇尔

“放眼望深渊,星斗布满天,繁星数不尽,天涯若无边。”              这是伟大学者和诗人罗蒙•诺索夫的诗句。星空的美妙,宇宙的神秘,永远激荡着人类的心灵,也使一位出生于音乐之家的少年产生无穷的遐想。他原是双簧管手,以音乐为生,但是他认为星光比乐曲更令人陶醉。于是,他不畏劳苦地走上了一条自学成才的道路,最后成为反射望远镜大型化的一代宗师、天王星的发现者和恒星天文学之父。他就是大天文学家威廉•赫歇尔。            音乐与星空              古希腊哲人毕达哥拉斯的“宇宙和谐论”坚信音乐和天文一脉相通。我们不知他的话是否一语破的,但对威廉•赫歇尔来说,他与望远镜、天文学的不解之缘竟得益于音乐。威廉•赫歇尔的父亲艾萨克也是一位双簧管手,在禁卫军乐团服役。威廉4岁即从父学习小提琴,稍大又学吹双簧管。父亲用以施教的乐理教材,其中有史密斯的《和声学》。根据该书提供的线索,威廉找到了史密斯的另一专著《完整的光学系统》,很早就掌握了望远镜的基础知识。而老艾萨克又多才多艺,在夜晚教授子女音乐之余,常趁兴指点他们认识星空,谁知却有了意外的收获。              子承父业,16岁的威廉为减轻家庭负担被迫辍学,进军乐团吹起了双簧管。1756年,英法间爆发了“七年战争”,普鲁士站在英国一边,奥地利和俄罗斯站在法国一边。威廉不堪战争之苦,于翌年只身渡海遁逃伦敦。为了逃避缉捕,他改名换姓,东躲西藏。由于不谙英语,人地两疏,身无分文,只得靠演奏乐器和教授音乐糊口。生活稍稳定,他就白天从事音乐,晚间研习天文和磨制望远镜,每逢晴夜,则坚持观天以自娱。开始时,他是借用别人的小型望远镜,不久威廉便产生了想看得更清楚、更深远的强烈愿望。但是稍大些的望远镜,其价格的高昂足以吓退薪俸微薄的打工仔。他深知,欲穷宇宙的奥秘,只有凭借望远镜才能延长人的视力;而望远镜口径越大,视力贯穿星空的本领就越强。他决心把视界扩大到更遥远的星空,于是凭着自己的智慧和双手自行设计和建造望远镜。这是一条充满荆棘的道路,一条勇敢者的道路。                 1774年3月,在妹妹卡洛琳的协助下,威廉自行设计和建造的第一架反射望远镜诞生了。其口径约为12.7厘米,焦距约为1.7米;为减少失光,威廉省去了牛顿式平面副镜,后世称为赫歇尔式望远镜。这是历经一年多不断试验、失败、再试验的结果。他选用不同配方的铜锑镍合金为镜胚,研磨、断裂、再研磨……滴滴汗水湿润着镜片,烛光映着星光,送走黑夜又迎来晨曦。苍天不负苦心人,威廉终于获得了成功,从此一发而不可收。1776年一年之内,他便建成了3架自用的望远镜,最长的有6米,真是个庞然大物。可是,要自如地驾驭它,还得掌握高超的操作技术。              1781年,威廉用2.1米左右望远镜发现了天王星,从此声名大振,订单像雪片一样飞来,其中不乏各国天文学家和王室的订货。为了让自己的视力到达银河系边缘,他决心研制威力更大的仪器。当地铸造厂已无法提供口径超过30厘米的金属镜坯了,他就在宅邸的地下室砌筑冶炼炉灶,熔锻合金材料,几经失败,终于浇铸出大镜胚。1781年威廉建成了约9.1米的望远镜,镜面口径约为91厘米,两年后又配上口径约1.2米的巨型反射镜片。这是威廉研制的望远镜之最,也是当时世界之最。            星海勾沉——天王星的发现              “在阳光照耀的地方,紫罗兰总是要开放。”              这是一句英国流行的谚语。它形象地概括了一个哲理:偶然之中有必然。天王星是天文学家用望远镜探测到的太阳系中的第一颗新行星。它距离太阳是日地平均距离的19倍,平均视亮度5.5星等,肉眼勉强可见。它在茫茫太空中邀游,一次次被天文学家的锐眼碰见,但又一次次成了“漏网之鱼”,逃之夭夭。它有如星海里一粒暗淡的金砂,在墨绿色的波涛下忽隐忽现,毫不起眼。从1690年以来,它至少有19次被观测记录在案,但每次都被误认为是暗弱恒星而放过了。其中见过这颗星的不乏其人,如皇家天文学家弗拉姆斯蒂德、布拉得雷等大师级的观测大人物。结果却是被一位天文爱好者、小城镇的民间音乐家威廉•赫歇尔偶然间撞上了。但是正如巴斯德所说,机遇只青睐有准备的头脑。              在天王星发现前3年,威廉在妹妹的支持下开始了工程浩大的两期“星空巡视”,目的是发现和测量双星。他用的是1776年自制的约2.1米望远镜。第一期星空巡视,逐个观测亮于4星等的亮星;第二期星空巡视,换置更高倍的目镜和新反射镜片,逐个观测极限星等8星等的暗弱星。这一工作从1780年开始。              “1781年3月13日星期二晚上10点到11点间,我正考察双子座H星附近的一群小星时,发现了一个异常明亮的星,我将它同双子座H及双子、御夫之间的小星作比较,发现它比任何一个都亮。我怀疑它可能是一个彗星。……”这里说的“异常明亮”是相对之辞,实际上亮度约6星等。但是威廉的“武库”里备有许多威力非同一般的“新式武器”,这正是他超越别人作出伟大发现的雄厚资本。他接着说:“我在手头准备了227、460、932、1536、2010等倍的几个目镜,需要时都能成功地用上。”也就是说,星海垂钓,他备有各种型号的鱼钩。这正是别人望尘莫及的优势。威廉有极其丰富的观测经验。他发现该星的直径随放大率而增大,肯定不是恒星。他意识到这是一条大鱼在咬钩了。经沃森博士推荐,观测报告送呈皇家学会。在此之后威廉又跟踪观测了4夜。4月26日,他应邀在皇家学会宣读发现新天体的论文。8月,俄国的刘塞尔、法国的拉普拉斯同时计算出该星的轨道,确认它是土星之外的大行星。太阳系的疆界一下子扩大了一倍!。              威廉确实幸运。他获得了种种殊荣,而且流芳百世。但是这种幸运,这种不期而遇,正是同他向来重视改进科学工具,勤于系统观测的踏实作风,不怕艰难的惊人毅力,以及善于透过现象洞察事物本质的理论思维等科学素养分不开的。               数星星的蠢人              这里有一段关于哲学家笛卡儿论星星的趣话。有一次笛卡儿坐在自己屋前的台阶上,正在凝视着落日后昏暗的地平线。一个过路人走近他的身旁,问道:“喂!聪明人,请问,天上有多少颗星星?”他回答道:“蠢人!谁也不能拥抱那无边无际的东西……”              赫歇尔兄妹就是天文学家中立志“数星星”的最先两个“大蠢人”。正是他们第一次用巨型望远镜去撞开恒星世界的大门。而在这一伟大创举之前,人类只是把自己的视力局限在地球附近的地月空间和太阳附近的五大行星之间。威廉在历史上为恒星天文学的建立奠定了第一块基石。他第一次用实证科学而不是哲学思辨去揭示银河系的真面目。他雄心勃勃地制定并有效完成的星云巡天观测计划长达19年,硕果累累。1786年、1789年和1802年,他3次向皇家学会呈交的星云星团表,共记录了2500个星云和星团。此外,他开展了天文学史上前所未有的双星观测,1782年、1785年和1821年(逝世前1年),由皇家学会3次刊布双星星表,共发现双星、三合星和聚星848个。“数星星”成了威廉最辉煌的天文业绩。他是第一个敢于“拥抱那无边无际”的人!他昔日在汉诺威禁卫军乐团、达勒姆郡军乐团任职,只是在管弦乐队里合奏高音的双簧管。而后,他的双簧管却和着宇宙深处传来的天籁之音,独奏恒星世界的群英谱。                 立志做“数星星的蠢人”,这需要有多大的勇气、多么惊人的毅力、多么超凡的耐心、多么高超的技巧及多么繁重的脑力和体力劳动啊!为了数星星,他们数十年如一日默默无闻地劳作。赫歇尔兄妹从不轻易放过可观测的晴朗天气,无论是严寒的冬宵还是酷暑的夏夜,常常从夜幕降临干到晨曦初上,废寝忘食,彻夜不眠。威廉饿了,渴了,仍舍不得离开研磨望远镜镜面的活计,卡洛琳就用叉子汤匙一口口喂他。如此艰苦劳累,他俩却毫无怨言,乐此不疲,为了科学,虽苦犹甜。                 为了数星星,他们忘了岁月,不知老之将至,完全献身于神圣的科学事业。威廉50岁成婚,娶的是一位肯大力资助他研制大型望远镜的富家寡妇,54岁得子约翰。约翰长大后,子承父业,主要业绩是用父亲的仪器在好望角数南天的星星。至于卡洛琳,对天文学一往情深,为数星星终身未嫁。              在毕达哥拉斯的心中,宇宙有如一个庞大的乐队,众星和谐地分布于天穹,拨动着各自的琴弦,各种乐音汇成天籁之音,在宇宙中回荡。“听到了吗?”这位先哲问道,“把你们的心全投人进去,让你们已洁净的灵魂飞到太空中邀游,你们就会听到了。”显然,赫歇尔一家听到了宇宙的旋律。               威廉•赫歇尔主要业绩              (1)制造了许多大型望远镜。磨制出售的望远镜至少有76架。自用的反射望远镜最大口径1.2米,为当时世界之最;(2)发现了天王星。1781年,威廉•赫歇尔用自制望远镜作巡天观测时偶然发现了天王星,后又发现了天王星和土星各自的两颗卫星,为此荣获英国皇家学会科普利奖章,并被选为会员;(3)进行了银河系结构的研究,用统计法首次确认了银河系为扁平状圆盘的假说;(4)从事星团、星云和双星的研究,集20年观测成果,汇编成3部星云和星团表,共记载了2500个星云和星团,其中仅100多个系前人已知,还发现了双星、三合星和聚星848个;(5)发现了太阳的空间运动。他发现并测定出太阳的向点位于武仙座λ附近,与现代的公认值十分接近。因威廉•赫歇尔在天文学特别是恒星观察领域业绩卓著,后人将他誉为“恒星天文学之父”。

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