十八九世纪天文学

十八九世纪天文学

好读书，不求甚解；每有会意，便欣然忘食。

——陶渊明

在18～19世纪，近代天文学得到了大发展。光度学和照相术得到发展，天文学向着研究天体的物理结构和物理过程的天体物理学方向前进。由于工业生产的发展，天文望远镜及其终端设备、附属配件的性能越来越好，这就使天体测量的精确度日益提高，从而导致了一系列重大发现，如恒星自行、光行差等。天体测量学的进步则推动了天体力学的前进，使它在近代数学的基础上得到极大的发展。到了19世纪中叶，天体物理学诞生了，从此人们得以深入地认识天体的物理本质。

1716年，哈雷提出了观测金星凌日的方法来定太阳视差。经过100多年的实践，效果仍不理想。小行星发现后，德国伽勒提出改用观测小行星来定太阳视差，这个方法一直使用到现在。

1725～1728年间，布拉得雷在测定天龙座视差时发现周年光行差现象。1727～1732年他又发现章动现象，后来经过20多年的观测，他终于在1748年确认章动的存在并定出光行差常数。

天龙座

天体测量学的任务是测定经纬度和钟差。1756年，德国迈耶尔导出中星仪测时基本公式；19世纪初，高斯提出同时测定纬度和钟差的多星等高法；1857年，美国太尔各特改进了18世纪丹麦赫瑞鲍的发明，提出测定纬度的太尔各特法。

拉格朗日

在18～19世纪中，天文学家编制了许多星表，其规模越来越大，精度越来越高，其中最著名的有1798年和1805年出版的两册《布拉得雷星表》，星表对近代恒星自行的研究起过重要作用；1859～1862年发表的《波恩巡天星表》，载星324000多颗，直到20世纪50年代国际天文学联合会还要求重印这份星表及其所附星图。

由于远洋航行的需要，18～19世纪的天体力学致力于研究受到其他天体摄动的大行星和月球的运动，以求获得一份精确的历表。1748年和1752年，欧拉在研究木星和土星的相互摄动中，首创任意常数变易法，后来拉格朗日发展了欧拉的方法，导出描述轨道要素变化的拉格朗日方程。

1799～1825年，拉普拉斯出版《天体力学》，全面总结了18世纪的工作，提出了完整的大行星运动理论和月球运动理论。后来经过泊松、勒威耶、汉森等人的努力，到19世纪下半叶，纽康建立了除木星和土星以外所有6个行星的运动理论，希尔建立了木星和土星的运动理论。他们的工作至今仍是编算天文年历的依据。

海王星

早在17世纪，荷兰学者惠更斯就观察到了火星极冠。1761年，俄国罗蒙诺索夫根据金星凌日的观测，做出了金星表面有大气存在的正确结论。这一时期对大行星的研究还只限于做表面细节的观测，不断有人描绘火星表面图，1877年以后由意大利斯基帕雷利绘制的火星表面图较为有名，火星上有“运河”的设想便是他提出来的。

18～19世纪的天文学最伟大的成就之一是海王星的发现。1781年，赫歇耳偶然发现了天王星，此后40年中它的计算位置与实际观测始终不符，人们设想这是一颗未知行星对天王星摄动的结果。1844～1846年，亚当斯和勒威耶各自进行了计算，伽勒根据勒威耶的推算，在1846年9月发现了海王星。

1772年，德国波得宣布了反映行星距离规律的提丢斯－波得定则，天王星的发现也证明这条定则是正确的，因此人们开始注意并努力在这条定则所指出的木星和火星之间的空隙寻找未知天体。1801年，意大利皮亚齐发现了第一颗小行星——谷神星。高斯的计算表明，它的轨道正在木星和火星之间。第二年德国奥伯斯又发现了一颗小行星——智神星。1804和1807年又分别发现一颗小行星。这些行星们之所以被称为小行星，是因为它们的体积都很小，它们同太阳的距离都与谷神星相似。后来，奥伯斯提出第一个小行星起源的假说，认为小行星是一颗大行星崩溃后的碎片，这个假说具有一定的正确性。此后发现的小行星逐年增加，到1876年已达172颗。

1877年，美国柯克伍德指出，由于受到木星强大的摄动，小行星空间分布区域中出现了空隙。在空隙区域里，小行星周期和木星周期成简单比例，这个发现在天体动力学的演化研究上有十分重大意义。

1758年底，哈雷彗星回归，哈雷于1705年所做的预言得到证实。此后，彗星成为天文学研究的重要对象。1811年，奥伯斯提出，彗星是由微小质点所组成的，被一种带电的斥力将它们抛向同太阳相反的方向。1877年，俄国勃列基兴按斥力和太阳引力之比将彗尾分为三种类型，由此开始了近代彗星结构理论的研究。

哈雷彗星

太阳黑子观测是在天体物理学诞生以前太阳研究中最重要的一项观测。1826～1843年，德国施瓦贝根据长达17年的观测，得出黑子有10～11年的周期变化。1849年，瑞士的沃尔夫追溯了到伽利略的观测，提出用统计方法研究黑子的消长规律，并定出标志太阳活动的指数，即沃尔夫黑子相对数。他们二人的观点至今仍为天文学界广泛使用。

1718年，哈雷把观测到的恒星所处的位置同喜帕恰斯、托勒密的观测结果相比较，发现天狼、参宿四、大角等星的位置有所变化，由此发现了恒星的自行。1748年，布拉得雷提出，恒星自行可能是太阳运动和恒星运动的综合结果。1783年，赫歇耳通过对7颗星的自行的分析，得知太阳在向武仙座方向运动，此后又通过对27颗恒星的分析，求出运动向点。1837年，德国阿格兰德尔分析了390颗星的自行，证实了赫歇耳的结论。

1814年，德国的夫琅和费制成第一架分光镜，用分光镜来观测太阳，发现了太阳的光谱线。

基尔霍夫

1859年，德国基尔霍夫和本生合作研究光谱，发表了分光学上的基本定律——基尔霍夫定律，从此天体物理学迅速发展起来，不久前发明和发展起来的光度学、照相术也为天体物理学的发展提供了重要手段。

1859年，基尔霍夫指出，太阳光谱里的黑线是因光球发出的连续光谱被太阳大气吸收而造成的。他把这些谱线和实验室里各种元素的光谱加以比较，认证出太阳上有许多地球上常见的元素，如钠、铁、钙、镍等。这些元素的发现说明太阳大气的温度很高，而光球的温度还要高得多。

1869年，英国洛基尔观测到日珥光谱中有一条橙黄色明线，认为是未知元素“氦”所形成的。26年后，英国化学家雷姆塞从地球上的矿物中把氦分离出来。1869年，美国哈克内斯发现日冕发出了一条棕色谱线。第二年经美国科学家扬测定，认为是未知元素“氟”所产生。1941年，瑞典分光学家埃德伦做出解释：氟是铁原子在高温下电离失掉14个外层电子后发出的射线。

在关注太阳光谱的同时，人们也开始注意恒星光谱。1863年，意大利塞奇用低色散摄谱仪观测恒星，进行光谱分类。1868年，他刊发了包含4000颗星的星表，将恒星光谱分成4类，并猜想他所分成的蓝白色星、黄色星、橙红色和深红色星这4类，一定与温度有相当关系。

1865年，英国的哈根斯将谱线认证工作扩充到恒星光谱，认证出参宿四、毕宿五等亮星里有钠、铁、钙等元素的谱线。他对恒星光谱线的位置进行了细致的测量，在1868年发现因多普勒效应而产生的微小的谱线位移，由此他测出恒星正在接近或离开我们的视向速度。

1885年，美国皮克林使用物端棱镜和照相方法拍得昴星团的光谱照片，由此开始了恒星光谱分类的崭新时期。1890年，美国哈佛大学天文台发表了第一份《亨利·德雷伯星表》。

昴星团

19世纪下半叶，偏振光度计和光劈光度计发明，从此人们得以对恒星的光亮度进行科学的测量。1861年，德国泽尔纳刊布了第一个光度星表。1872年，有人把大陵五的光度变化解释为一颗暗星绕一颗亮星运行时彼此掩食的结果。1880年，皮克林算出了这对双星的轨道和大小。1888年，德国沃格耳根据对大陵五视向速度的研究也证实了皮克林的结果。对类似大陵五这样的食变星的研究，使人们得到许多关于恒星的物理结构的知识。

19世纪，光学由几何光学向物理光学的发展，以光学仪器为主要观测工具的天文学也由方位天文学进入了天体物理学。天体物理学的诞生标志着人类对宇宙的认识又跨入了一个新阶段，它使人类对宇宙天体的认识发生了质的飞跃。