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天王星是如何被發現的?

12月
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2017

2017年12月13日14時 今日科學 書問閱讀

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天文觀測在外人看來也許是一項很浪漫的事業,但實際上雖不乏浪漫,卻也充滿了艱辛。即便擁有高質量的望遠鏡,一項天文發現的背後也往往凝聚著天文學家長年累月的心血。赫歇耳不僅在製作望遠鏡上走在了同時代人的前面,在天文觀測上也有著常人難以企及的細心和熱忱。他一生僅巡天觀測就進行了四次之多,每一次都對觀測到的天體進行了系統而全面的記錄。其中最早的一次是通過一架口徑4.5英寸的反射望遠鏡進行的,涵蓋的是所有視星等亮於4的天體。由於視星等亮於4的天體用肉眼都清晰可見,這樣的觀測對於他精心製作的望遠鏡來說無疑只是牛刀小試。而且,這類天體既然用肉眼就能看見,從中做出任何重大發現的可能性顯然都是微乎其微的。用功利的眼光來看,這樣的巡天觀測幾乎是在浪費時間,但對赫歇耳來說,天文觀測的樂趣遠遠超越了任何功利的目的。從這樣一次註定不可能有重大發現的巡天觀測開始自己的觀測生涯,極好地體現了赫歇耳在天文觀測上紮實、沉穩、嚴謹、系統的風格。除了這種極具專業色彩的風格外,赫歇耳對天文觀測的酷愛程度也是非常罕見的。他對觀測的沉醉,實已達到了廢寢忘食的境界。在他從事觀測時,食物常常是卡洛琳用勺子一小口一小口地餵進他的嘴裡,而睡覺則往往要托壞天氣的福。正是這樣的專業風格與忘我熱忱的完美結合,最終成就了天文觀測史上的一次偉大發現。

幾年下來,赫歇耳以及他所製造的望遠鏡在英國學術圈裡漸漸有了一些知名度。「七英尺望遠鏡」建成後,赫歇耳開始用這架舉世無雙的望遠鏡進行自己的第二次巡天觀測,這次巡天觀測的目的之一是尋找雙星(赫歇耳一生共找到過800多對雙星,是研究雙星的先驅者之一),所涵蓋的最暗天體的表觀亮度約為8等,相當於上次巡天觀測所涉及的最暗天體表觀亮度的1/40,或肉眼所能看到的最暗天體表觀亮度的1/6。顯然,這次巡天觀測所涉及的天體數量比上一次大得多,工作量也大得多。

1781年3月13日夜晚10點到11點之間,赫歇耳的望遠鏡指向了位於金牛座(Taurus)一「角」(ζ星)與雙子座(Gemini)一「腳」(η星)之間的一小片天區。在望遠鏡的視野里,一個視星等在6左右,略帶圓面的新天體引起了赫歇耳的注意。那會是一個什麼天體呢?由於恆星是不會在望遠鏡里留下圓面的,因此這一天體不像是恆星。為了證實這一點,赫歇耳更換瞭望遠鏡的鏡片,將放大倍率由巡天觀測所用的227倍增加到460倍,爾後又進一步增加到932倍,結果發現這個天體的線度按比例地放大了。(請讀者思考一下,赫歇耳既然有放大率更高的鏡片,在巡天觀測時為什麼不用?)毫無疑問,這樣的天體絕不可能是恆星,恆星哪怕在更大的放大倍率下也只會是一個亮點,而不會呈現出圓面。那麼,它究竟是一個什麼天體呢?赫歇耳認為答案有可能是星雲狀物體,也有可能是彗星。但就在他試圖一探究竟的時候,巴斯的天公卻不作美,一連幾天都不適合天文觀測,赫歇耳苦等了四天才等來了再次觀測這一天體的機會,這時他發現該天體的位置與四天前的記錄相比,有了細微的移動。由於星雲狀物體和恆星一樣是不運動的,因此這一發現排除了該天體為星雲狀物體的可能性。於是赫歇耳的選項只剩下了一個,那就是彗星,他正式宣布自己發現了一顆新的「彗星」。

發現新彗星雖然算不上是很重大的天文發現,但每顆新彗星的發現都能為天文學家們新增一個研究軌道的對象,而這在當時正是很多人感興趣的事情。因此天文學家們一得知赫歇耳發現新「彗星」的消息,便立即對新「彗星」展開了觀測。令人奇怪的是,這顆新「彗星」並沒有像其他彗星那樣拖著長長的尾巴。用後人的眼光來看,或許很難理解如此顯著的疑點為何沒有讓赫歇耳意識到自己所發現的其實不是彗星,而是一顆新的行星。但在當時,「新行星」這一概念對很多人來說幾乎是一個思維上的盲點。不過科學家畢竟是科學家,他們是不會始終沉陷在盲點裡漠視證據的。赫歇耳的發現公布之後,英國皇家學會的天文學家馬斯克林(Nevil

Maskelyne)在對該「彗星」進行了幾個夜晚的跟蹤觀測之後,率先猜測它有可能是一顆新的行星,因為它不僅沒有彗星的尾巴,連軌道也迥異於彗星。當然,憑藉短短几個夜晚的觀測,馬斯克林只能對新天體的軌道進行很粗略的推斷。幾個月之後,隨著觀測數據的積累,瑞典天文學家萊克塞爾(Anders Johan Lexell)、法國科學家薩隆(Bochart de

Saron),以及法國天體力學大師拉普拉斯彼此獨立地從數學上論證了新天體的軌道接近於圓形,從而與接近拋物線的彗星軌道截然不同。與此同時,赫歇耳本人也藉助自己無與倫比的望遠鏡優勢對新天體的大小進行了估計,結果發現其直徑約為54700千米,是地球直徑的4倍多。顯然,在近圓形軌道上運動的如此巨大的天體只能是行星,而絕不可能是彗星。因此到了1781年的秋天,天文學界已普遍認為赫歇耳發現的是太陽系的第七大行星(彩圖1)。這顆行星比水星、金星、地球和火星都大得多,甚至比它們加在一起還要大得多,它繞太陽公轉的軌道半徑約為30億千米,相當於土星軌道半徑的兩倍,或地球軌道半徑的20倍。

幾千年來,人類所認識的太陽系的疆界終於第一次得到了擴展。

赫歇耳的偉大發現立即被英國天文學界引為驕傲,赫歇耳本人也因此而獲得了巨大的榮譽。1781年11月,英國皇家學會將自己的最高獎——考普雷獎(Copley

Medal)授予了赫歇耳,並接納他為皇家天文學會的成員。赫歇耳從此成為了職業天文學家。為了讓赫歇耳有充裕的財力從事研究,皇家學會免除了他的會費。不僅如此,英王喬治三世還特意為他提供了津貼,並親自接見了他。後來喬治三世乾脆請赫歇耳遷居到溫莎堡(Windsor

Castle)附近,以便能讓他時常向皇室成員講解星空知識。作為回報,赫歇耳在皇家學會的提示下寫了一封感謝信,盛讚喬治三世對他的慷慨資助,並提議將新行星命名為「喬治星」(Georgian

Planet)。雖然在新天體的命名中發現者通常享有優先權,但像「喬治星」這樣一個富有政治意味的名字還是立即遭到了英國以外幾乎所有天文學家的一致反對。赫歇耳本人也私下承認,這個名字是不可能被普遍接受的。在新行星的命名競賽中最終勝出的,是德國天文學家波德(Johann Elert

Bode),他提議的名稱是烏拉諾斯(Uranus),這是希臘神話中的天空之神,也是薩坦(土星)的父親。這一名稱之所以勝出,是由於它與太陽系其他行星的命名方式具有明顯的傳承關係:在其他行星的命名中,朱庇特(木星)是瑪爾斯(火星)的父親,薩坦(土星)是朱庇特(木星)的父親,有這樣一連串「父子關係」為後盾,在土星之外的行星以薩坦(土星)的父親烏拉諾斯來命名無疑是順理成章的。在中文中,這一行星被稱為天王星。

發現天王星的那年赫歇耳已經42歲,一生的旅途已經走過了一半。在後半生里,他放棄了音樂生涯,將全部的精力都投注在了星空里,孜孜不倦地繼續自己的天文事業,並且作出了卓越的貢獻。除發現天王星外,他還分別發現了土星及天王星的兩顆衛星。他在恆星天文學、雙星系統及銀河繫結構等領域的研究都具有奠基意義。他所繪製的星圖遠比以往的任何同類星圖都更全面,同時他還是最早發現紅外輻射的科學家。

1822年8月25日,赫歇耳在自己工作了幾十年的觀星樓里離開了人世。他的一生只差3個月就滿84歲,只差4個月就是他所發現的天王星繞太陽公轉一圈的時間。

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內容來源:《尋找太陽系的疆界(天文篇)》

作者:盧昌海 編

出版:清華大學出版社


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