星云世界的水手

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  霍金因严重病残,其传奇色彩愈加神奇,哈勃却因其强健的体魄和广泛的兴趣而令人惊异。他身高近1.90米,篮球、网球、棒球、橄榄球、跳高、撑竿跳、铅球、链球、铁饼、射击等项目均成绩不俗。早年从牛津回美国后,哈勃曾在一所女子中学执教西班牙语,同时还教物理学和数学,以及当男子篮球教练。在芝加哥大学,他是一名闻名全校的重量级拳击运动员。在牛津大学,他是校径赛队员,还曾在一场表演中与法国拳王卡庞捷交手。此外,他还是一名假饵垂钓的高手。
  
  酷爱天文学
  
  1889年11月20日,哈勃出生在美国密苏里州马什菲尔德的一个中产阶级家庭里。他的父亲是当地一位颇有名气的律师。幼时的哈勃便显现出与众不同的特点,他非常喜欢问问题,一有机会,就缠着大人们问这问那。时间长了,大人们一看到他来,都喜欢开玩笑说:“看,我们的问题又来了。”在他感兴趣的事物当中,小哈勃对天空充满了更深的好奇心。他经常仰望着天空,望着若隐若现的辉晕,产生一个个疑问:蓝天是由什么东西组成的?它有多大?它的外面还有没有别的东西?
  1906年,哈勃以优异的成绩,获得芝加哥大学的优等奖学金,前往该校学习深造。在选择学习专业时,他毫不犹豫地选择了天文系。在芝加哥大学,哈勃深受美国杰出天文学家乔治·埃勒利·海尔等人的影响,这些学者对天文学的忘我执著和绘声绘色的讲演更加激起了他对天文学的热爱。
  1910年,哈勃毕业后,在父亲的一再要求之下,来到世界著名学府英国的剑桥大学女王学院学习法学。1913年,他学成回国,取得律师资格,开设了一家律师事务所。但出于对天文学的热爱,不管是在女王学院学习的时候,还是在路易斯维尔工作的时候,他都没有放弃对天文的研究。最终,他获得家人的理解,放弃律师职业,重返天文界,成为芝加哥大学叶凯士天文台的一名研究生。开始一心一意地研究天文学。
  1917年,哈勃获得了天文学博士学位。也就在这一年,美国参与了第一次世界大战,哈勃随美国远征军赴法作战,很快晋升至少校军衔。1919年,哈勃返回美国,接受了加利福尼亚州威尔逊山天文台的邀请赴该台工作。此后,除了第二次世界大战期间再度到军队服务外,哈勃就一直在威尔逊山天文台工作,并作出了许多富有创造性的贡献。其中,最重要的有两个:一是确认了星云是与银河系相似的恒星系统,从而开创了星系天文学这一新学科领域,建立了大尺度宇宙结构的新概念:二是发现了星系的红移——距离关系,从而促使了现代观测宇宙学的诞生。
  
  发现“星云”本质
  
  早在古希腊,德谟克利特就曾天才地猜测,横亘天穹的银河其实是一大片星星构成的“云”。但在很长时间中,多数人都信奉亚里士多德的想法:银河是地球大气层发光的具体体现。1609年,伽利略发明了天文望远镜,观测到白茫茫的银河是由无数的星星组成的,从而证明了德谟克利特的猜想是正确的。1775年,德国著名哲学家康德认为,银河系统是个孤岛般的集团,在远离它的空间内,必定还有别的孤岛般的恒星系统,他称它们为“岛宇宙”。他还指出,如果从十分遥远的地方观看我们所在的银河系,那么,它必定与从望远镜中看到的一些云雾状斑块——即“星云”非常相似。此后,人们开始争论“星云”的本质,也有人说,那是一团团会发光的气体,有人说,那是些由恒星组成的恒星集团。
  哈勃早期的研究工作基本上就是围绕星云这一问题而展开的。在总结前人研究成果的基础上,哈勃把星云分成三类:一是由气体和尘埃构成的“气团星云”;二是用稍大的望远镜就可以分辨出单颗恒星的“行星状星云”;三是从靠近中心比较亮的雾核中有旋臂伸出的“旋涡星云”。而后,他在已掌握了的观测资料的基础上又大胆地推断:前两类星云主要位于银河系之内,而后一类星云则位于银河系之外,是更为遥远的河外天体系统。
  在威尔逊山天文台,有一架当时世界上最大口径的反射望远镜,这台望远镜能提供前所未有的清晰准确的天体图像。有了它,哈勃如虎添翼,夜以继日地工作。夜幕刚刚降临,早早地就等待在望远镜的哈勃便开始工作,选定最佳的角度进行观测。当晨星隐没,旭日将第一丝光线洒在天文台巨大的建筑球体上时,一晚没合眼的他又开始整理资料,为进一步详细深入地进行数据统计、分析和图像分类、比较工作做准备,而只在中午和傍晚前才小睡一会儿。
  1924年的一天,历史性的时刻终于到来了。哈勃成功地拍摄到了仙女座大星云M33和三角座旋涡星云M31的照片,图像非常清晰。这可是天文学史上一次长足的飞跃。首先,哈勃发现,所谓星云的旋臂,原来是由大量发光非常微弱的恒星组成的。人们终于知道,那些旋涡星云中的雾状光辉,不过也是由无数恒星汇合而成的一个致密区。其次,哈勃第一次在这些旋涡星云中发现了有“宇宙灯塔”和“宇宙量天尺”之称的“造父变星”。
  造父变星是一类特殊的变星,它们的亮度总是有规律地变化着:增亮、变暗,再增亮、再变暗……而且其亮度变化的特征很容易识别。造父变星的亮度变化周期越长,它的发光能力就越强。根据造父变星的光变周期,就可以利用周光关系推算出它的绝对星等,再把绝对星等和它的视星等进行比较,就可以推算出它的真实距离了。
  根据上述理论,哈勃以充分的数据第一次证明:旋涡星云都是远在银河系外的恒星系统,即河外星系。这样,就为彻底解决星云的本质问题,提供了一条直截了当而且更具说服力的途径,即日后所称的“观测宇宙学”。
  河外星系的发现是20世纪天文学最重大的成就之一,这直接导致了星系天文学的诞生,掀开了人类探索大宇宙的崭新一页。
  
  揭秘膨胀宇宙
  
  哈勃的发现,使人们可以通过河外星系中造父变星的视星亮度,来准确地测算出河外星系的大小和其与银河系的距离以及河外星系之间距离的远近。但是,哈勃逐渐发现,这一方法只适用于那些比较近的星系。而多数的河外星系是如此遥远,能到达地球的星光过于黯淡,无法分清单个恒星。因此,对这类星系的距离和大小的测定必须另辟蹊径。
  在理论方面,1917年,爱因斯坦用刚建立的广义相对论,探讨了星光在不同的引力场中传播时,谱线发生向红端移动(即红移)的现象。这一现象与星系距离的测定有密切的关系。在观测方面,美国天文学家斯莱弗在1917年已初步表明,多数旋涡星云都在以巨大的速度远离我们而去。
  根据这些成果以及哈勃本人所测定的更加准确的有关旋涡星云距离的定量数据,1929年,哈勃在《河外星云与视向速度的关系》一文中,提出星云距离D与视向速度V成线性的正比例关系。这一关系的
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