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20世纪的天文学大辩论,都争论了哪些话题?

你看,这时间过得多快呀,很快就来到了20世纪,在上一篇文章中,我们说了19世纪人们的望远镜口径不断地在变大,从赫歇尔最初的20公分,到1.2米,再到罗斯勋爵的1.8米,最后我们干脆把照相机就装在了望远镜上,可以长时间的曝光、捕捉更多的光子,拍摄更加遥远、更加暗淡的深空天体,分辨出更多、更清晰的细节。

所以我们在1845年的时候就看到星云M51的螺旋结构,在1888年的时候就给M31仙女座星云拍摄第一张照片,从照片中我们也看到它的螺旋结构。

那么时间来到了20世纪,美国加州理工大学在威尔逊山上先后整了两座天文台,其中就有1917年建设完成的胡克望远镜,他的口径达到了2.5米,而且反射镜面使用的是镀银玻璃,是当时世界上最大、最先进的光学望远镜。

我每次看到胡克望远镜的照片,都能想到《普罗米修斯》里面的这个场景,胡克望远镜像一门外星大炮一样,非常的震撼。

在第一批使用胡克望远镜的天文学家里有一个人叫沙普利,上节课我们已经说,他为我们第一次勾勒出了银河系的大小,形状,以及太阳系所处的位置。

当然他也看到了非常多的螺旋状星云,但是他当时认为这些星云和我们的距离都没有超过银河系的范围,他们是银河系内的“原恒星”,也就是还处在胎儿阶段的新恒星。

当然其他一些类似于星云的天体,比如我们前面提到的,星团、恒星形成区域、行星状星云、超新星遗迹当时都被人为是银河系内的天体。

如果真是这样的话,那么我们凭借胡克望远镜所看到的所有天体都在银河系的范围内,这也意味着,我们的银河系10万光年的尺度就是整个宇宙,整个宇宙就是银河系,在银河系之外,就是空无一物的黑暗空间了。

很明显,当时就有人不同意这样的说法,你说银河系之外啥也没有了,太不可思议了!当时主要的分歧是对螺旋状星云到底是啥,有不同的看法,持不同观点的一方来自于美国加利福尼亚大学,位于汉密尔顿山上的利克天文台,主要的代表人物叫柯蒂斯。

他就说,这些螺旋状星云,并不是所谓的原恒星,而是类似于银河系的星系,他们距离我们非常遥远,这就是宇宙岛论。

如果真是这样的话,银河系只是宇宙中众多星系中的一个,我们的宇宙尺度至少不小于几百万光年。

现在我们知道,很明显柯蒂斯是对的,但是在当时正好相反,持原恒星说法的人偏多,是不是很奇怪,这说明真理往往掌握在少数人的手里。

你可能更奇怪的是,为什么人们会把螺旋状星云想成原恒星呢?他俩长得很像吗?确实很像!好,现在你想象一下,有一坨中性气体云,由于它不是一个完美的球形,所以在引力的作用下它会在一个方向上坍缩成一个圆盘,并且会在这个圆盘的中心形成物质密度越来越高的区域,最终会诞生一颗恒星。那么在恒星形成的期间,这个圆盘会高速旋转,也有可能会产生螺旋结构,所以以当时人们的理解,我们看到的螺旋星云很有可能就是原恒星。

所以关于这个问题的分歧直到20世纪20年代的时候都没有解决,那么在1920年的4月,位于美国华盛顿的科学院就组织了一场辩论会,把双方代表沙普利和柯蒂斯都请到了场,让双方就这个问题发表自己的看法,这就是天文学史上最著名的“大辩论”。

很多人都知道爱因斯坦和玻尔的世纪论战,但是很少有人知道天文学的世纪论战,好,下面我就简单地说下,双方都围绕哪些话题进行了争论

首先争论的一个点是,M101风车星系,沙普利说,根据多年以来人们对M101内部旋转状况的观察表明,它不可能是一个和银河系大小相当的星系,不然的话它边缘物质的运动速度将超过光速。

我们现在看到是1916年发表在《美国国家科学学会杂志》上的一篇论文《螺旋状星云M101内部运动的初步证据》中的一张照片,其中的箭头代表了里面的天体每年平均移动的幅度和方向,据此沙普利就判断M101星云不可能是一个星系。

那么柯蒂斯就说,对M101的观察可能存在巨大的误差,而且在其他的螺旋星云并没有发现这种情况。

第二个争论的点是M31星云,我们知道这是仙女座星系,那么柯蒂斯就说,我们在M31附近发现新星的概率要高于其他天区,而且在其他天区出现的新星亮度看起来都差不多,但是在M31附近的新星就暗了许多,那么柯蒂斯就认为,M31是一个和银河系差不多的星系,而且距离我们很远,这就能解释以上的现象了。

第三个争论的点是,如果螺旋星云只是银河系内的原恒星的话,那么为什么我们看到的螺旋星云都在银河系的盘面以外,按理来说,盘面内的气体更加丰富,形成恒星的速度更快、数量更多,应该能看到更多的螺旋星云。

所以柯蒂斯就说,螺旋星云就是远离银河系的星系,并不是在银河系内形成的原恒星,而银河系的盘面就挡住了遥远星系的光线,所以我们看不到盘面区域有螺旋星云。

那么沙普利就反驳说,银河系的盘面有螺旋星云,只是盘面内的恒星太亮,再加上中性气体、尘埃的遮挡,这才看不见盘面的星云了。

(图;斯莱弗当时的测量结果)

第四个争论的点是当时最新的观测数据,1912年一个叫斯莱弗的天文学家就通过分析各大星云的光谱就发现,大部分的星云运动速度非常快,超快过了银河系内的其他天体,而且在它研究的15个星云中,只有两个星云的光谱发生了蓝移,其余的都出现了不同程度的红移,这说明这些星云正在远离我们。

那么他是如何知道这些星系相对于我们的速度的?这就要说到光谱学了。光谱学的发展可以追溯到牛顿的身上,当年他就拿着三棱镜把太阳光分解成了七色光,但是他并没有发现在太阳的光谱中还隐藏着巨大的秘密。

(图:太阳光谱中的吸收线)

1816年德国的一个镜片制造商夫琅和费就发现,在太阳光谱中有一系列的暗线,但他当时并没有搞懂这些暗线是咋来的,但这些暗线后来被称为夫琅禾费线。

1859年德国人本生和基尔霍夫在烧各种金属盐的时候就发现,不同的金属会发出不同的颜色的光,经过光谱仪分光以后,每种元素的光谱都是不同的分立的线条。就跟商品的条形码一样的,这也被称为元素的指纹。

(图:元素的发射光谱)

他俩立刻就认识到了这个发现的重要性,只要我们把已知所有元素的光谱都记录下来,那么以后只要分析一个东西的发射光谱就能知道他里面有啥元素。比如我们把氯化钠放在火里一烧,通过分析它的光谱,就能知道其中有钠元素和氯元素。

相应的,元素除了有发射光谱以外,它还有吸收光谱,吸收光谱和发射光谱的波长是一一对应的,它有怎样的发射光谱就有怎样的吸收光谱,这就是解释了太阳光中为何充满了暗线,这些都是不同元素的吸收光谱。

(图中上:完整可见光谱,中间:氢的发射光谱,下面:氢在光谱中的吸收线,可以看出发射线和吸收线是一一对应的。)

比如说,我们在光谱中发现了一系列暗线,它对应了红色区域的6563埃,青色区域的4861埃,蓝色区域的4341埃,紫色区域的4102埃,(埃是光谱学中常用的波长单位,1埃等于0.1纳米)这些波长的吸收线就代表中性氢的吸收线,所以我们就能够知道在光源中有中性氢的存在,因此我们通过分析太阳光中的吸收光谱,就能够知道太阳的组成成分了。

这件事我们在19世纪就搞得清清楚楚,但光谱学的作用远不止如此,那么大约在同一时间,多普勒就发现了多普勒效应,这个效应对声学和光学同样有效,相信这个大家非常清楚,一辆火车向我们开来,声调会变高,因为波长被压缩了,火车远离,声调会变低,因为波长被拉长了。

对光波也一样,光源远离我们,波长被拉长了,整个光谱会发生红移,光源靠近我们,波长被压缩,整个光谱会发生蓝移。

(上图:吸收线整体的红移和蓝移)

在蓝移和红移的过程中,元素的吸收谱线也会整体发生蓝移或者红移,所以我们在分析一个天体的光谱的时候,比如说,我们发现了其中的氢吸收线整体发生了红移,我们就能够知道这个天体正在远离我们,根据红移的幅度,就能算出它远离我们的速度。蓝移也是一样的道理。

所以斯莱弗在1912年分析15个星云的光谱以后,就发现其中的吸收线大体上和太阳的一致,当然也有少量吸收线在太阳上看不见,但这些星云的吸收线整体上都发生红移或者蓝移。

(斯莱弗)

当然蓝移的星云很少,大部分都发生了红移,并且斯拉弗也算出了他们相对于我们的速度,注意这里说的速度是径向速度,或者叫视向速度,也就是在我们视线方向上的速度,其实根据多普勒红移我们只能测出来天体在我们视线方向上的速度分量,在我们视线方向上远离我们速度,或者靠近我们的速度,这可以理解吧,如果天体的运动在我们视线上的垂直方向上也有速度分量的话,这我们是测不出来的。

那么对于这些星云为什么运动得这么快,为什么他们大部分都在远离我们,但是沙普利和柯蒂斯都搞不懂这是咋回事。

那么这场辩论下来,并没有分出胜负,两个人都是元气大伤。不过你发现没有,每当科学发展到一个瓶颈的时候,很快就会出现一个牛人,这个人往往会力挽狂澜,一统江湖。那么天文学上也一样,这位划时代的天文学家马上就要出现了,是他的发现让人类的视野走出了银河系,开创了河外天文学,是他的发现让我们的宇宙学有了最基础的根基,让我们认识到了一个不断膨胀,有创世时刻的全新的宇宙。

好了,今天的内容就到这里,从下节课开始,我们的宇宙学会变得越来越有趣。