100 年前，埃德溫·哈勃證明銀河系并非宇宙中的孤島
100 年前，哈勃揭示了一個星系群的存在——于銀河系之外，如果，毫無契機，他是無法做到這一點的。
大約1945年：天文學(xué)家埃德溫·鮑威爾·哈勃博士坐在桌子前的椅子上看雜志。作為威爾遜山天文臺的一名工作人員，他是第一個提出論點支持宇宙膨脹理論的科學(xué)家，該理論現(xiàn)在被稱為哈勃定律。（圖片來源：《紐約時報》/蓋蒂圖片社）
101年前，人們處在科學(xué)家們?nèi)匀徽J(rèn)為銀河系是我們宇宙的全部的時代。但是，在100年前，大多數(shù)科學(xué)家則篤定這不是真的。在這時期某個時候，人類意識到宇宙比銀河系大得多——從望遠(yuǎn)鏡中看到的螺旋星云實際上是獨立的星系。宇宙的規(guī)模幾乎在一夜之間急劇膨脹。
縱觀歷史，要歸功一個人：埃德溫·哈勃。這有一定道理，但如果沒有他周圍那些為他的發(fā)現(xiàn)鋪平道路的天才，他不可能做到這一點。
卡內(nèi)基科學(xué)天文臺的天文學(xué)家杰夫·里奇在馬里蘭州舉行的美國天文學(xué)會第245次會議的新聞發(fā)布會上說：“人們無意間將哈勃和他對銀河系以外宇宙的發(fā)現(xiàn)披上了一層傳奇色彩，但他的成功確實站在了許多人的肩膀上。”
里奇在2025年1月的美國科學(xué)院會議上講述埃德溫·哈勃的故事是有象征意義的，因為一個世紀(jì)前的1925年1月1日，在美國科學(xué)院的第33次會議上，哈勃的成果才第一次被正式介紹。
里奇將銀河系之外的宇宙的發(fā)現(xiàn)描述為幾個世紀(jì)以來的啟示，并討論了對人類在宇宙中的位置的理解是如何隨著時間的推移逐漸與新的發(fā)現(xiàn)結(jié)合在一起的。然而，站在哈勃肩膀上最多的兩個人是亨麗埃塔·斯旺·萊維特和哈洛·沙普利。
宇宙中最重要的恒星
萊維特在哈佛大學(xué)學(xué)院天文臺擔(dān)任的工作類似于智能“計算機”，負(fù)責(zé)分析哈佛望遠(yuǎn)鏡拍攝的相片底片。特別的是，萊維特將仔細(xì)研究小麥哲倫星云和大麥哲倫星云的圖像，并在其中識別出了 1800 顆變星。在萊維特于 1908 年和 1912 年撰寫的兩篇論文中，她能夠確定這些變星中有許多具有獨特的周期-光度關(guān)系。換句話說，她意識到這些恒星定期脈動所需的時間以及它們在收縮和膨脹過程中變亮和變暗的程度取決于它們的發(fā)光強度。
這是一個至關(guān)重要的發(fā)現(xiàn)。假設(shè)你發(fā)現(xiàn)了其中一顆這樣的變星，后來被稱為仙王座的變光星。你可能不知道它距離我們有多遠(yuǎn)，但根據(jù)仙王座的變光星的變幅周期，你可以計算出它的內(nèi)在亮度。然后，要確定這顆恒星的距離，需要將其真實光度與它在夜空中看起來的亮度進行比較即可。即便在當(dāng)下，萊維特提出的光度與周期的關(guān)系式仍是科學(xué)家們用于測量宇宙中天體距離時所依據(jù)的關(guān)鍵概念。
與此同時，鑒于哈羅·沙普利在哈勃故事中的基礎(chǔ)性作用，諷刺的是，他并不相信銀河系之外還有別的星系存在。早在 20 世紀(jì)初，望遠(yuǎn)鏡的觀測能力還不足以分辨其他星系中的單個恒星，因此螺旋星系只是螺旋狀的模糊區(qū)域，被稱為螺旋狀星云。沙普利懷疑這些星云只不過是銀河系邊緣形成的恒星而已。
他的目標(biāo)是通過創(chuàng)建第一張官方的宇宙距離梯來測量銀河系的大小——也就是他的概念中宇宙的大小。他識別了造父變星上星系中的第一級階梯。接下來是 RR 輪流星，這是一種具有與造父變星相似的周期-光度關(guān)系的類型，其距離可以以造父變星進行作為參照校準(zhǔn)。最后，他使用 RR 輪流變星來校準(zhǔn)銀河系邊緣附近普通的大質(zhì)量、高亮度恒星的距離。沙普利（Shapley）測定銀河系的直徑為 30 萬光年，太陽系距離銀河系中心 5 萬光年。如今我們知道更準(zhǔn)確的數(shù)值分別是 10 萬光年和 2.6 萬光年，而沙普利的結(jié)果代表了首次使用宇宙距離梯度法。沙普利甚至在 1920 年 4 月與另一位天文學(xué)家赫伯·柯蒂斯（Heber Curtis）在華盛頓特區(qū)的美國國家科學(xué)院共同參與了“大辯論”，討論了螺旋星云的本質(zhì)問題?？碌偎拐J(rèn)為螺旋星云本身就是星系，但他表示銀河系的直徑只有 1 萬光年。沙普利則持相反的觀點。
哈勃（Hubble）介入了這場爭論
?1919 年，埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）加入了加利福尼亞州的威爾遜山天文臺（Mount Wilson Observatory）的團隊，當(dāng)時距離該天文臺的胡克望遠(yuǎn)鏡（Hooker Telescope）首次投入使用僅過去了兩年。這臺望遠(yuǎn)鏡是當(dāng)時世界上最大的望遠(yuǎn)鏡。
里奇說道：“哈勃的突破得益于威爾遜山天文臺的 100 英寸胡克望遠(yuǎn)鏡（Hooker Telescope）。哈勃能夠取得這一發(fā)現(xiàn)，得益于他能夠立足于最先進的技術(shù)之上?！?/p>
胡克望遠(yuǎn)鏡是該天文臺臺長喬治·埃勒里·海勒（George Ellery Hale）的杰作，其設(shè)計初衷還包括解決旋渦星云之謎。這一謎題的解決得益于一位來自加利福尼亞州的慈善家約翰·胡克（John Hooker）慷慨捐贈的 45,000 美元。
在這之前，我們還得提及另一位重要人物：米爾頓·胡曼森。他最初被雇傭時的身份類似于“騾子馱運工”那種，經(jīng)常負(fù)責(zé)在威爾遜山的觀測站尚未完工時用騾子馱運建筑材料和設(shè)備上去。后來，他成為了觀測站的清潔工，接著又成為了使用該觀測站的天文學(xué)家們的助手。胡馬森和哈勃在望遠(yuǎn)鏡旁幾乎形影不離，而胡馬森盡管并未獲得博士學(xué)位，但憑借自身努力在望遠(yuǎn)鏡觀測領(lǐng)域取得了諸多天文發(fā)現(xiàn)，他理應(yīng)一道分享哈勃所獲得的諸多贊譽。
在這由他們搭建的工程上，哈勃和休馬森開始用胡克望遠(yuǎn)鏡觀測螺旋星云。1923年，他們成功地拍攝了仙女座螺旋星云梅西耶31的照片，這張照片確實揭示了一些非常特別的東西。
里奇說：“哈勃對這張照片非常興奮，他在黑白玻璃底片上寫下了‘VAR（變星）！’，因為他看到了一顆造父變星存在的證據(jù)?！蹦穷w造父變星后來被簡稱為“V1”。哈勃更明白，海蒂娜·萊維特和哈洛·沙普利所做的研究，這只意味著他首次挑戰(zhàn)就夠測量出一個螺旋星云的距離?！?/p>
他確實測量了距離。他計算出的距離為 93 萬光年，這比真實距離 250 萬光年少了不到一半，但盡管哈勃那粗略的計算存在局限性（宇宙距離階梯至今仍在不斷改進），這張照片清楚地表明仙女座螺旋星云的存在超出了沙普利測量的銀河系 300 萬光年的范圍。梅西耶 31 并非螺旋星云，而是一個螺旋星系。
哈勃太空望遠(yuǎn)鏡拍攝的 V1 星（圖中插圖所示）的圖像，它是位于仙女座星系中的造父變星，正是憑借這一恒星，埃德溫·哈勃得以測量該星系的距離，并證明了它以及其他星系也是“獨立的宇宙島”（注：哈勃通過觀測仙女座星系中的造父變星，測定了仙女座星系的距離，從而證明了仙女座星系和其他星系也是獨立的宇宙體）。（圖片來源：美國國家航空航天局/歐洲航天局/哈勃遺產(chǎn)項目（斯克里普斯天文臺/美國宇航局聯(lián)合管理局）/羅伯特·根德勒）
哈勃給沙普利寫信，告知他自己的發(fā)現(xiàn)。沙普利讀到這封信時，評論道：“這就是那封摧毀了我對宇宙所擁有的一切的信?！?/p>
1924 年 11 月，哈勃將他發(fā)現(xiàn)的消息透露給了《紐約時報》，這就是為什么次年 1 月在亞利桑那天文學(xué)學(xué)會（AAS）上進行的報告實際上是天文學(xué)家亨利·諾里斯·羅素（Henry Norris Russell）而非哈勃本人所做的報告，這只是官方的披露——不過，私下里人們早就知道了這件事。
如今，我們認(rèn)為宇宙中充滿了星系，有的像銀河系和仙女座星系那樣呈螺旋狀，有的是巨大的橢圓星系，還有的是微小的矮星系。據(jù)最新統(tǒng)計，可見宇宙空間中估計存在多達(dá) 2 萬億個星系。然而，里奇評論說，哈勃這一劃時代的發(fā)現(xiàn)實際上屬于前沿。
“一百年的時間不算太遙遠(yuǎn)?！彼f。的確，在這世上還有人的年齡更老，他們出生在人類對其他星系還一無所知的時代。“這實在是一堂關(guān)于事物正在發(fā)生怎樣的變化以及新發(fā)現(xiàn)能以多快的速度向我們涌來的課程?！?/p>
如今，那張捕捉到 仙王星座的變光星 V1 的照相底片，角落里赫伯特·哈勃潦草地寫著“VAR?。ㄗ冃牵保ㄟ@是哈勃對這顆變星的觀測結(jié)果的標(biāo)記），成了發(fā)現(xiàn)歷程中的珍貴遺物，就像一個科學(xué)版的印第安納·瓊斯在千年之后可能會去尋找的那種東西。幸運的是，你不必踏上如此艱難的旅程就能找到它。通常情況下，這張底片被鎖在保險箱里，現(xiàn)在它已拿出來通風(fēng)，目前在洛杉磯縣博物館舉辦的“無限宇宙：不同文化中的宇宙學(xué)”展覽中展出幾個月。
至于哈勃，他并沒有止步于此。他后來的星系形狀音叉圖仍然是天文學(xué)家的經(jīng)典教學(xué)工具，即使音叉所描繪的星系的演化是前后的，專業(yè)天文學(xué)家仍然使用音叉的命名法，即“早期”和“晚期”星系。
然后，在1929年，哈勃揭示了宇宙中幾乎所有其他星系都在遠(yuǎn)離我們，這部分是基于天文學(xué)家維斯托·斯利弗（Vesto Slipher）的紅移測量，并與比利時物理學(xué)家兼牧師喬治·勒馬（Georges lema）的理論工作相一致，后者推導(dǎo)出了后來被稱為哈勃-勒馬定律的理論，該定律描述了宇宙的膨脹。
在五年的時間里，我們從認(rèn)為銀河系就是一切，到揭示一個無限膨脹的宇宙。這是一個相當(dāng)大的范式轉(zhuǎn)變，緊隨1915年阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）發(fā)表的《廣義相對論》（General Theory of Relativity）之后，大約在同一時期，以尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）為首的世界上最偉大的物理學(xué)家正在探索量子物理領(lǐng)域，這是科學(xué)變革時代的基石，塑造了我們目前對宇宙的理解。暗物質(zhì)、暗能量、對量子引力理論的探索、哈勃張力和大爆炸的原因等新奧秘都讓物理學(xué)家感到困惑，現(xiàn)在是科學(xué)領(lǐng)域再次發(fā)生類似于一個世紀(jì)前的變革的大好時機。
撰稿：基思·庫珀
BY:Keith Cooper
FY:Jane
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