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本文发表于《中学生天地》2007 年 10 月刊 (浙江教育报刊社出版)。 发表时略有删节, 且省略了注释。

寻找太阳系的疆界 (二)

- 卢昌海 -

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三. 巡天偶得

天文观测在外人看来也许是一项很浪漫的事业, 但实际上虽不乏浪漫, 却也充满了艰辛。 即便拥有高质量的望远镜, 一项天文发现的背后也往往凝聚着天文学家常年累月的心血。 赫歇耳不仅在制作望远镜上走在了同时代人的前面, 在天文观测上也有着常人难以企及的细心和热忱。 他一生仅巡天观测就进行了四次之多, 每一次都对观测到的天体进行了系统而全面的记录。 其中最早的一次是通过一架口径 4.5 英寸的反射望远镜进行的, 涵盖的是所有视星等亮于 4 的天体[注一]。 由于视星等亮于 4 的天体用肉眼都清晰可见, 这样的观测对于他精心制作的望远镜来说无疑只是牛刀小试。 而且, 这类天体既然用肉眼就能看见, 从中做出任何重大发现的可能性显然都是微乎其微的。 用功利的眼光来看, 这样的巡天观测几乎是在浪费时间, 但对赫歇耳来说, 天文观测的乐趣远远超越了任何功利的目的。 从这样一次注定不可能有重大发现的巡天观测开始自己的观测生涯, 极好地体现了赫歇耳在天文观测上扎实、 沉稳、 严谨、 系统的风格。 除了这种极具专业色彩的风格外, 赫歇耳对天文观测的酷爱程度也是非常罕见的。 他对观测的沉醉, 实已达到了废寝忘食的境界。 在他从事观测时, 食物常常是卡洛琳用勺子一小口一小口地喂进他的嘴里, 而睡觉则往往要托坏天气的福。 正是这样的专业风格与忘我热诚的完美结合, 最终成就了天文观测史上的一次伟大发现。

几年下来, 赫歇耳以及他所制造的望远镜在英国学术圈里渐渐有了一些知名度。 “七英尺望远镜” 建成后, 赫歇耳开始用这架举世无双的望远镜进行自己的第二次巡天观测, 这次巡天观测的目的之一是寻找双星 (赫歇耳一生共找到过 800 多对双星, 是研究双星的先驱者之一), 所涵盖的最暗天体的表观亮度约为 8 等, 相当于上次巡天观测所涉及的最暗天体表观亮度的四十分之一, 或肉眼所能看到的最暗天体表观亮度的六分之一。 显然, 这次巡天观测所涉及的天体数量比上一次大得多, 工作量也大得多。

1781 年 3 月 13 日夜晚 10 点到 11 点之间, 赫歇耳的望远镜指向了位于金牛座 (Taurus) 一 “角” (ζ 星) 与双子座 (Gemini) 一 “脚” (η 星) 之间的一小片天区。 在望远镜的视野里, 一个视星等在 6 左右, 略带圆面的新天体引起了赫歇耳的注意。 那会是一个什么天体呢? 由于恒星是不会在望远镜里留下圆面的, 因此这一天体不象是恒星。 为了证实这一点, 赫歇耳更换了望远镜的镜片, 将放大倍率由巡天观测所用的 227 倍增加到 460 倍, 尔后又进一步增加到 932 倍, 结果发现这个天体的线度按比例地放大了 (请读者思考一下, 赫歇耳既然有放大率更高的镜片, 在巡天观测时为什么不用?)。 毫无疑问, 这样的天体绝不可能是恒星, 恒星哪怕在更大的放大倍率下也不会呈现出按比例放大的圆面。 那么, 它究竟是一个什么天体呢? 赫歇耳认为答案有可能是星云状物体, 也有可能是彗星。 但就在他试图一探究竟的时候, 巴斯的天公却不作美, 一连几天都不适合天文观测, 赫歇耳苦等了四天才等来了再次观测这一天体的机会, 这时他发现该天体的位置与四天前的纪录相比, 有了细微的移动。 由于星云状物体和恒星一样是不运动的, 因此这一发现排除了该天体为星云状物体的可能性。 于是赫歇耳的选项只剩下了一个, 那就是彗星, 他正式宣布自己发现了一颗新的 “彗星”。

旅行者号拍摄的天王星
旅行者号拍摄的天王星

发现新彗星虽然算不上是很重大的天文发现, 但每颗新彗星的发现都能为天文学家们新增一个研究轨道的对象, 而这在当时正是很多人感兴趣的事情。 因此天文学家们一得知赫歇耳发现新 “彗星” 的消息, 便立即对新 “彗星” 展开了观测。 令人奇怪的是, 这颗新 “彗星” 并没有象其它彗星那样拖着长长的尾巴。 用后人的眼光来看, 或许很难理解如此显著的疑点为何没有让赫歇耳意识到自己所发现的其实不是彗星, 而是一颗新的行星。 但在当时, “新行星” 这一概念对很多人来说几乎是一个思维上的盲点。 不过科学家毕竟是科学家, 他们是不会始终沉陷在盲点里漠视证据的。 赫歇耳的发现公布之后, 英国皇家学会的天文学家马斯克林 (Nevil Maskelyne) 在对该 “彗星” 进行了几个夜晚的跟踪观测之后, 率先猜测它有可能是一颗新的行星, 因为它不仅没有彗星的尾巴, 连轨道也迥异于彗星。 当然, 凭借短短几个夜晚的观测, 马斯克林只能对新天体的轨道进行很粗略的推断。 几个月之后, 随着观测数据的积累, 瑞典天文学家莱克塞尔 (Anders Johan Lexell)、 法国科学家萨隆 (Bochart de Saron), 以及法国天体力学大师拉普拉斯彼此独立地从数学上论证了新天体的轨道接近于圆形, 从而与接近抛物线的彗星轨道截然不同。 与此同时, 赫歇耳本人也借助自己无与伦比的望远镜优势对新天体的大小进行了估计, 结果发现其直径约为 54700 公里, 是地球直径的四倍多[注二]。 显然, 在近圆形轨道上运动的如此巨大的天体只能是行星, 而绝不可能是彗星。 因此到了 1781 年的秋天, 天文学界已普遍认为赫歇耳发现的是太阳系的第七大行星。 这颗行星比水星、 金星、 地球和火星都大得多, 甚至比它们加在一起还要大得多, 它绕太阳公转的轨道半径约为 30 亿公里, 相当于土星轨道半径的两倍, 或地球轨道半径的二十倍。

几千年来, 人类所认识的太阳系的疆界终于第一次得到了扩展[注三]

赫歇耳的伟大发现立即被英国天文学界引为骄傲, 赫歇耳本人也因此而获得了巨大的荣誉。 1781 年 11 月, 英国皇家学会将自己的最高奖——考普雷奖 (Copley Medal) 授予了赫歇耳, 并接纳他为皇家天文学会的成员。 赫歇耳从此成为了职业天文学家。 为了让赫歇耳有充裕的财力从事研究, 皇家学会免除了他的会费。 不仅如此, 英王乔治三世还特意为他提供了津贴, 并亲自接见了他。 后来乔治三世干脆请赫歇耳迁居到温莎堡 (Windsor Castle) 附近, 以便能时常向皇室成员讲解星空知识。 作为回报, 赫歇耳在皇家学会的提示下写了一封感谢信, 盛赞乔治三世对他的慷慨资助, 并提议将新行星命名为 “乔治星” (Georgian Planet)。 虽然在新天体的命名中发现者通常享有优先权, 但象 “乔治星” 这样一个富有政治意味的名字还是立即遭到了英国以外几乎所有天文学家的一致反对。 赫歇耳本人也私下承认, 这个名字是不可能被普遍接受的。 在新行星的命名竞赛中最终胜出的, 是德国天文学家波德 (Johann Elert Bode), 他提议的名称是乌拉诺斯 (Uranus), 这是希腊神话中的天空之神, 也是萨坦 (土星) 的父亲。 这一名称之所以胜出, 是由于它与太阳系其它行星的命名方式具有明显的传承关系: 在其它行星的命名中, 朱比特 (木星) 是玛尔斯 (火星) 的父亲, 萨坦 (土星) 是朱比特 (木星) 的父亲, 有这样一连串 “父子关系” 为后盾, 在土星之外的行星以萨坦 (土星) 的父亲乌拉诺斯来命名无疑是顺理成章的[注四]。 在中文中, 这一行星被称为天王星。

发现天王星的那年赫歇耳已经四十二岁, 一生的旅途已经走过了一半。 在后半生里, 他放弃了音乐生涯, 将全部的精力都投注在了星空里, 孜孜不倦地继续自己的天文事业, 并且作出了卓越的贡献。 除发现天王星外, 他还分别发现了土星及天王星的两颗卫星[注五]。 他在恒星天文学、 双星系统及银河系结构等领域的研究都具有奠基意义。 他所绘制的星图远比以往的任何同类星图都更全面, 同时他还是最早发现红外辐射的科学家。

1822 年 8 月 25 日, 赫歇耳在自己工作了几十年的观星楼里离开了人世。 他的一生只差 3 个月就满 84 岁, 只差 4 个月就是他所发现的天王星绕太阳公转一圈的时间。

四. 命运弄人

听完了发现天王星的故事, 有读者也许会提出这样一个问题, 那就是天王星为什么没有更早被人们发现? 我们前面提到过, 天王星的视星等在 6 左右, 事实上, 在最亮时它的视星等甚至可以达到 5.5 (请读者想一想, 什么情况下天王星看起来会最亮?)。 这样的亮度连肉眼都有可能勉强看到, 却为何没有更早就被人们发现呢? 赫歇耳之前的天文学家们虽然没有象 “七英尺望远镜” 那样出色的望远镜, 但他们的望远镜用来观测象天王星这样一个原则上连肉眼都有可能看到的天体却是绰绰有余的。 自伽利略之后的那么多年里, 那么多的天文学家在那么多个晴朗的夜晚仰望苍穹, 却为何会将发现新行星的伟大荣誉留到 1781 年呢?

我们在前面的叙述中已经知道, 赫歇耳发现天王星的过程并不是一个有意寻找新行星的过程, 甚至在发现天王星之后他还一度将之视为彗星。 这一切都表明天王星的发现带有一定的偶然性, 是一个 “无心插柳” 的过程。 与赫歇耳同时代的一些天文学家曾因此而将赫歇耳对天王星的发现视为是好运气之下的偶然发现。 赫歇耳的一生在荣誉上大体是看得比较淡的, 但他对这种将他发现天王星的过程视为偶然的说法还是明确表示了反对。 他写下了这样的文字:

我对天空中的每颗星星都进行了有规律的排查, 不仅包括 [象天王星] 那样亮度的, 还包括许多暗淡得多的, 它 [天王星] 只不过是恰好在那个夜晚被发现。 我一直就在逐渐品读大自然所写的伟大著作, 如今恰好读到了包含第七颗行星的那一页。 假如有什么事情妨碍了那个夜晚, 我必定会在下个夜晚发现它。 我望远镜的高品质使得我一看到它便能感觉出它那可以分辨的行星圆面。

赫歇耳的这段文字不仅为自己发现天王星的必然性做了注解, 而且也很好地说明了为什么在他之前那么多的天文学家都一直没有发现天王星。 要知道, 看到一颗暗淡的新行星虽然困难, 但比这困难得多的则是要判断出它是行星而不是恒星。 天王星被发现之后, 人们对历史上的天文纪录进行了重新排查, 结果发现天王星在赫歇耳之前起码已被记录了二十二次之多, 其中最早的一次可以追溯到 1690 年, 比赫歇耳早了将近一个世纪。 可惜留下这二十二次纪录的天文学家们无一例外地与发现天王星的伟大荣誉擦肩而过。 之所以会如此, 是因为其中没有一位意识到自己观测到的不是恒星, 而是行星。 我们知道, 在气象条件良好的夜晚, 单凭肉眼就可以看到数以千计的星星, 借助小型望远镜的帮助所能看到的天体数量更是多达数十万, 这其中绝大多数都是恒星, 任何人都不可能、 也绝无必要对它们一一进行跟踪观测。 因此除非意识到或怀疑到自己所观测的有可能不是恒星, 天文学家们通常是不会随意对一个天体进行跟踪观测的, 而如果不进行跟踪观测, 就无法发现行星的运动, 从而也就失去了从运动方式上辨别行星的机会。

那么赫歇耳为什么会想到要对天王星进行跟踪观测呢? 正是因为他意识到了自己所观测的有可能不是恒星。 如我们在上一节中所介绍, 赫歇耳在发现天王星的过程中换用了几种不同的镜片, 放大率从 227 倍增加到 932 倍[注六], 从而不仅发现了天王星的圆面, 而且还发现其线度随放大率的增加而增加。 因此他在静态条件下就发现了天王星与恒星的区别。 这是历史上所有与天王星擦肩而过的天文学家们从未有过的优势。 以英国的天文学家为例, 当时英国皇家天文台最好的望远镜的放大率也只有 270 倍。 赫歇耳拥有如此巨大的设备优势, 他成为发现天王星的第一人也就绝非偶然了。 而最终使这一伟大发现成为必然的, 是赫歇耳所进行巡天观测。 这样的巡天观测正是赫歇耳所说的 “品读大自然所写的伟大著作”, 在这样周密而系统的 “品读” 中, 一颗象天王星那样的 6 等星的落网是必然的。

行星的表观逆行
行星的表观逆行

不过, 命运有时会跟人开残酷的玩笑。 在赫歇耳之前曾经记录过天王星的所有天文学家中, 最令人惋惜的是一位法国天文学家, 他叫拉莫尼亚 (Pierre Charles Le Monnier)。 自 1750 年之后, 他先后十二次纪录了天王星的位置。 其中从 1768 年 12 月 28 日到 1769 年 1 月 23 日的短短二十几天里, 他不知出于何种考虑, 竟然八次纪录了天王星的位置。 照理说, 这样密集的纪录是足以显示天王星的行星运动的。 但是命运女神却向可怜的拉莫尼亚开了一个最最残酷的玩笑。 我们知道, 由于地球本身在绕太阳运动, 我们在地球上观测到的行星在背景星空中的运动实际上是它们相对于地球的表观运动。 对于象天王星这样轨道位于地球公转轨道之外, 从而轨道运动速度低于地球轨道运动速度的行星来说, 它的表观运动方向有时会与实际的公转方向相反。 这就好比当我们坐在一辆正在行驶的车子里观测其它车辆时, 如果我们自己的车速比较快, 就会看到一些与我们同向行驶的车辆相对于我们在倒退。 在天文学上, 这样的表观运动被称为表观逆行。 表观逆行在行星的表观运动中只占一小部分。 在行星从表观逆行转入正向运动的过程中, 会有一小段时间看上去是几乎不动的。 这就好比一辆倒行的汽车在转为正向行车的过程中, 会有一小段时间看上去速度为零。 拉莫尼亚万万没有想到的是, 他那八次密集纪录竟然恰好是在天王星从表观逆行运动转为正向运动的那一小段时间附近, 那时候的天王星相对于背景星空几乎恰好是看起来不动的[注七]

如果说赫歇耳成为天王星的发现者有什么偶然性的话, 这也许就是最大的偶然性。

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注释

  1. 视星等是描述天体表观亮度的参数, 视星等越低, 天体的表观亮度就越高。 具体地讲, 一等星的表观亮度是六等星的 100 倍 (请读者从中推算一下, 视星等每降低 1 等, 表观亮度会增加多少?)。 正常的肉眼在最佳观测条件下所能看到的最暗天体的视星等约为 6 等。
  2. 赫歇耳得到的这一数值略大于现代观测值, 后者为赤道直径 51118 公里, 两极直径 49946 公里。
  3. 这里我们没有把质量微不足道的彗星计算在内。
  4. 在新行星的命名基本得到公认之后, 一些英国天文学家仍固执地延用着 “乔治星” 这一名称, 直至十九世纪中叶。
  5. 赫歇耳晚年曾认为自己还发现了天王星的另外四颗卫星, 但那些 “发现” 后来要么被证实为是错误的, 要么因存在明显的疑点而未得到公认。
  6. 这还不是赫歇耳当时拥有的最高放大率, 后者高达 2010 倍, 比英国皇家天文台最好的望远镜高出将近一个数量级, 一度让他的同时代人觉得匪夷所思, 有人甚至怀疑那是胡吹。 为了平息怀疑, 赫歇耳应邀将自己的望远镜带到皇家天文台与那里的望远镜进行了比较。 比较的结果是赫歇耳当之无愧地坐上了当时望远镜制作的头把交椅。 在比较的过程中最有戏剧性的是马斯克林 (即那位最早猜测天王星是行星的天文学家) 的反应。 他在刚看到 “七英尺望远镜” 时对它的镜架很感兴趣, 打算为自己的望远镜也配备一个, 但在比较了两架望远镜的性能后, 却沮丧地承认自己的望远镜也许根本就不配拥有一个好的镜架。
  7. 拉莫尼亚的性格比较暴躁, 人缘也不好, 被普遍视为是一位不细心的观测者, 这一点曾被认为是他未能发现天王星的原因。 不过有关他 “不细心” 的某些具体传闻, 比如说他将有关天王星的数据随手写在一个纸袋上, 实际上是讹传。

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网友讨论选录

  • 网友: 来自 108.168 的游客   (发表于 2014-09-01)

    “涵盖的是所有视星等亮于 4 的天体……”

    这里有个无伤大雅的问题: “视星等亮于 4” 或者 “视星等在 6 左右” 感觉在中文中不很地道, 因为我接触的专业和爱好者圈子似乎都直说 “亮于 4 等” 或者 “6 等左右”。 尤其谈论 18 世纪的观测时, 无需强调是 “视星等”。

    “为了证实这一点, 赫歇耳更换了望远镜的镜片, 将放大倍率由巡天观测所用的 227 倍增加到 460 倍, 尔后又进一步增加到 932 倍, 结果发现这个天体的线度按比例地放大了。 毫无疑问, 这样的天体绝不可能是恒星, 恒星哪怕在更大的放大倍率下也只会是一个亮点, 而不会呈现出圆面。”

    这里的说法不够严谨——恒星在更大的放大倍率下也不会是亮点。 因为除了望远镜的衍射极限限制以外, 还会有大气视宁度限制, 所以观察恒星看到的会是闪烁不定的光斑, 而非一个亮点。 对一般的地点来说, 视宁度和天王星的视直径差不多 (大约 3-5"), 略大于赫歇尔所用的望远镜的衍射极限 (大约 1")。 当然这已经足够让赫歇尔辨别出天王星的不同了。

  • 网友: 卢昌海   (发表于 2014-09-01)

    谢谢,"恒星哪怕在更大的放大倍率下也只会是一个亮点, 而不会呈现出圆面" 将改为 "恒星哪怕在更大的放大倍率下也不会呈现出按比例放大的圆面"。

    “视星等亮于 4” 等说法容我保持原样。 “视星等” 一词即便对于 18 世纪的观测本身来说可以 “缺省”, 对于现代读者却还是有帮助的, 可以避免理解上的歧义。 至于末尾省略一个 “等” 字, 一来是因为我一向认为前面既已说了 “星等”, 后面再用 “等” 字是一种累赘; 二来也是因为这种说法既跟英文一致, 在中文中也并不少见, 比如中文 wiki 的 “星等” 词条中就有 “星等约为 6.3”、 “视星等达到 5.8” 之类的说法。

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