为什么赫歇尔数星星能绘出银河系的图景

18世纪20年代起,一些学者纷纷提出关于恒星世界结构的猜想。他们认为无数恒星构成了一个庞大的系统。

英国哲学家赖特探讨了恒星在宇宙中的分布,首次提出“银河系”的概念。德国哲学家康德发展了赖特的思想,认为银河系是被恒星填充的,恒星在银河系中连续分布。不过,关于银河系的这些天才预见,尽管有的在相当程度上符合实际情况,但毕竟停留在推测阶段。

英国天文学家威廉·赫歇尔

18世纪后期,英国天文学家威廉·赫歇尔在他妹妹卡罗琳·赫歇尔的协助下,用自制的48厘米口径的反射望远镜,开展深入的巡天观测。他假定太阳位于银河系的中心,制定了周密的计划,把天空划分成一个个天区,通过巡天观测来确定全天恒星的空间分布。为此,他假定所有恒星的光度相同,它们亮度的差异只是由于与我们的距离有别;看上去越亮的恒星,离我们越近,看上去越暗的恒星,离我们越远。天狼星是天空最亮的恒星,把它作为距离基准。通过被观测恒星的亮度与天狼星亮度的比较,估计该恒星的距离有多远。他还假定宇宙空间是完全透明的,使用望远镜能够看到银河系最外缘的恒星。每到晴朗的夜晚,他就用望远镜对准选定的天区,一颗颗数出这些天区里的星数,并根据亮度估计每一颗星的远近。这开创了后来恒星天文学上常用的“取样统计法”。

威廉·赫歇尔通过取样统计发现,在银河附近恒星的数密度要比远离银河的方向上高得多,而且它们分布延伸得更远。他先后作了1083次观测,在683个取样天区中一共数了近11.8万颗恒星。在以上假定的基础上,他认真分析观测资料,于1785年获得一幅扁而平、轮廓参差、太阳居中的银河系结构图。这样,威廉·赫歇尔首次通过观测证实了恒星聚集在一个状如“磨盘”的系统里。它的形态与现代天文学家揭示的银河系图像很相似。

那么,为什么数星星就能得知银河系的形状呢?

上图中左边两个圆圈分别代表望远镜指向视线A和视线B时所见的视场。在A视场里我们见到比较明亮、稀稀拉拉的少数恒星,而在B视场里,我们见到亮暗不等、密密麻麻的许多恒星。按照威廉·赫歇尔的假设,越暗的恒星距离越远,于是这两条视线上的恒星数目和分布就可以反映右图中两条相应视线上的情况了。

约翰·赫歇尔

赫歇尔的这项观测,工作量之浩大和过程之艰苦是显而易见的,而他的巨大成果则在天文学史上树立了又一个重要的里程碑。他用实际观测证实了其他学者关于银河系的推测。从此人们的视野从太阳系扩展到广阔得多的银河系,有了一个新的飞跃。

威廉·赫歇尔去世后,他的儿子约翰·赫歇尔于1833年11月携带其父那架48厘米口径的望远镜来到南非好望角,建立了一个观测站。他把父亲的取样统计法用于南天,统计了3000个选区的近6.9万颗恒星。他的计数结果证实了老赫歇尔关于银河系结构的结论。

赫歇尔的磨镜工具

赫歇尔家族的工作可靠地证实了银河系的存在。从此银河系的研究有了坚实的基础,并蓬勃地向前发展。

1916—1917年,美国天文学家沙普利通过测量许多球状星团的距离,证实了太阳位于远离银心的地方。沙普利把太阳从银心地位上移走,是人类继哥白尼之后第二次破除自己居于宇宙间某种中心地位的观念。这在人类思想史上,也具有革命性的意义,而且为建立更真实的银河系图像开辟了正确的途径。

现在天文学家对于银河系的自转、旋臂、组成等运动和结构方面的问题,又有了远比过去更加详细而深刻的了解。

威廉·赫歇尔制造的大型金属反射面望远镜,口径1.22米,长12米

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