哈勃望远镜拍的真实宇宙

时间推进到了1920年，这年春天，全美国以及世界上一些最著名的天文学家齐聚华盛顿，在美国科学院的大礼堂中，即将召开一次规模盛大的辩论会。辩题有两个：1、银河系到底有多大？2、旋涡星云到底是什么？辩论的双方都是天文学界德高望重的人物，一位是沙普利，另一位是美国著名天文学家柯蒂斯（Curtis，1872年～1942年）。这场辩论就是著名的“沙普利－柯蒂斯之争”，也叫“世纪天文大辩论”，由此可见其份量之重。两边的观点针锋相对，沙普利认为银河系的直径达到30万光年，仙女座那片星云是银河系中一种星云状天体；而科蒂斯的观点则是银河系的直径只有4万光年，仙女座星云距离我们至少50万光年，是银河系之外的另一个星系。双方的辩论非常激烈，都引用了大量的观测数据加以佐证，谁也说服不了谁。在场的天文学家也分成了两个不同的阵营，彼此争吵不休。然而在热闹的礼堂一角，有一个人静静地坐着，嘴里叼着一个标志性的大烟斗，他没有参与到这场辩论中，只是静静地听着，嘴角泛起一丝冷笑。三年后，这个人将为这场辩论做一个终极了断，他的名字叫做哈勃（Edwin Powell Hubble，1889年～1953年），一个传奇式的美国人。说他传奇，一点儿也不夸张。我得费点笔墨讲讲哈勃的经历，实在是忍不住要说说。

哈勃生于1889年，比爱因斯坦小10岁。他出生在密苏里州靠近欧扎克（Ozarks）高原的一个小镇上，童年时迁居到芝加哥郊区的惠顿（Wheaton）。他的父亲是一名成功的保险经纪人，所以哈勃小时候生活得很富足。他天生一副好身板，魅力四射，聪明过人，英俊潇洒，有书里形容他“英俊得不像话”，还有一个粉丝说他美得像希腊神话中的美神阿多尼斯。哈勃自己则说他在生活中经常干一些很勇猛的事情，勇救溺水的人那是家常便饭；厉害一点的，在法国战场上把吓坏了的大男人带到安全地带；最夸张的，他说自己在表演赛上把世界拳击冠军们几下子击倒，弄得他们很难堪。说实话，在我看来，吹牛也是哈勃的天赋之一。因为根据现在的科学史家的研究，哈勃自己吹嘘的这些事情要么是凭空捏造出来的，要么就是过分地夸张了自己的经历。

不过，哈勃在年轻的时候确实展示出了极为过人的天赋，他有些真实的经历也让我感觉简直厉害到了有点荒谬的程度：在1906年的一次中学田径运动会上，他在撑杆跳高、铅球、铁饼、链球、立定跳高、助跑跳高项目上都得了冠军，同时还是接力跑冠军队的成员。也就是说，在一次运动会上获得了七个冠军，还有一个跳远的第三名。在同一年，他又刷新了伊利诺伊州的跳高纪录。

在文化学习方面，他也表现出了同样出众的能力：毫不费力地考入芝加哥大学，攻读数学和天文学。在校期间，他入选首批罗兹奖学金学员，前往牛津大学深造，结果三年的英国生活竟让他像换了一个人一般。当他1913年回到故乡惠顿时，嘴里衔着个大烟斗，身披长长的披风，一口洋泾浜的英国腔，这个形象跟了他一辈子。

他曾宣称自己二十世纪20年代在肯塔基州当律师，其实那段时间他在印第安纳州新奥尔巴尼的一所中学当老师和篮球教练。在这之后，他获得了博士学位，并在军队中度过了很短一段时间（他是在离停战协定签订前仅有一个月时抵达法国，所以他根本不可能听到过愤怒的枪炮声）。

到了1919年，30岁的哈勃移居到了加州，得到洛杉矶附近威尔逊天文台台长乔治·海尔的聘用，没想到，这份工作让他出人意料地成为二十世纪最为杰出的天文学家之一。

哈勃一到天文台，便以近乎于疯狂的状态投入到了对仙女座星云（M31）和三角座星云（M33）的观测中。这两片星云是在北半球肉眼可见的仅有的两片星云，也应当是离地球最近的两片星云。

图14-1　M31仙女座大星云　　图片来源：NASA官网

我一讲到“观测”这个词，各位读者多半会想到的情景是，天文学家坐在望远镜前整夜整夜地盯着天空看。实际上，自从十九世纪上半叶发明的照相术在将近一个世纪中取得了巨大的进步以来，天文学家越来越多地依赖于天体照相来做研究。进入到二十世纪哈勃工作的年代后，已经没有天文学家靠肉眼观测来研究天文了，至于我们经常会在一些照片或者电视节目上看到一个天文学家聚精会神地盯着望远镜看，那无非是摆个POSE照个像而已。现代的大型天文望远镜甚至连目镜都没有了，只能用于拍照。记得我第一次去上海佘山天文台参观1.25米口径的反射式望远镜时，本以为也能摆个“观测”的POSE留个影，到了才发现，它根本不提供目视的功能，“观测”的方法是提供精确的天球坐标，拍出照片后再供你观看。

图14-2　M33三角座大星云　　图片来源：NASA官网

哈勃拍摄了大量的星云照片，从中发现了34颗造父变星。然后他用了两年多的时间耐心地绘制这些造父变星的光变周期曲线。接下来，他按照我前文阐述过的方法，计算出了两个星云离我们的距离都是约93万光年（现在我们知道这一数值还是大大低估了实际距离），这个距离比沙普利和柯蒂斯的银河系直径都大了不是一点点。因此，当哈勃的研究成果在国际天文界一公布，立即引起了巨大的反响。哈勃的工作很细致，数据很详实，不由得人不信。哈勃的工作让天文学家至少达成了一个共识，那就是星云不可能是银河系中的发光气体“云”或者某一个单独的天体，而是与银河系一样的由千亿星辰构成的真正的“星系”，每一个星系就像在广袤宇宙中的一个岛屿一样。至此，1850年由德国人洪堡首次提出的“宇宙岛”概念有了第一份令人信服的科学证据。在大型的望远镜中，“星系”遍布整个宇宙。当时的人们已经能观测到数千个亮度不一的星系，不过它们都很暗，无法分解成单个的恒星，更不要说分辨出造父变星了。那么如何才能测定这些星系的距离呢？哈勃采用的办法是：假定每个星系的绝对亮度都差不多，现在既然知道了仙女座星系的距离，那么就可以通过比较这些星系的视亮度来计算它们离我们到底有多远。于是哈勃惊讶地发现，离我们最遥远的星系居然有上亿光年之远。宇宙之大，超出了所有天文学家的估计。但我想告诉大家，这仅仅是人类在认识宇宙尺度上跨出的第一步，70多年后，另一个“哈勃”又有了更加惊人的发现。这是后话，暂且不表。