恒星天文学之父——威廉·赫歇尔

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本文转自天文论坛，原文摘自《天文爱好者》杂志2009年第2期，作者：文宽

恒星天文学之父——威廉·赫歇尔
欧洲计划在2009年发射“赫歇尔”(Herschel)空间望远镜，其镜片直径达3.5米，远超哈勃空间望远镜(镜片直径为2.4米)，它将成为有史以来最大的空间望远镜。威廉·赫歇尔是18世纪著名的天文学家，他不仅发现了天王星，还开创了恒星天文学，他研究并假设(某些)星云是由恒星组成，提出著名的恒星演化学说；他不仅在天文望远镜的发展史上留下永不磨灭的足迹，而且是当时最伟大的观测天文学家，为恒星天文学的建立奠定了第一块基石，在天文学史上他被誉为“恒星天文学之父”。
出身于音乐世家
弗里德里希·威廉姆·赫歇尔(Friedrich Wilhelm Herschel)是德国人，后来在天文学史上以其英国化的名字威廉·赫歇尔 (Willim Herschel)和“著名英国天文学家”的头衔闻名于世。他的祖先在德国大都从事园艺、酿酒等手工业，他的父亲于1731年举家迁往一个名叫汉诺威的小镇，他父亲在这里加入了禁卫军乐团服役，当一名乐师，他还会吹奏双簧管。1738年11月15日威廉·赫歇尔在汉诺威出生了，当时汉诺威是英王乔治二世的属地(然而它并不真是大英帝国的组成部分)。老赫歇尔生了6个子女，威廉·赫歇尔排行第三，他的上面还有大姐苏·赫歇尔和长兄雅可布·赫歇尔，下面有二弟亚历山大·赫歇尔、三弟迪特里希·赫歇尔和妹妹卡罗琳·赫歇尔。
赫歇尔从小就喜欢音乐，并很早就显露出这方面的天赋，他4岁时就跟从父亲学习拉小提琴，后来学习吹奏双簧管，并很快成为一名出色的双簧管演奏者。由于家境遇到困难，他16岁时离开了学校，与父亲一样加入了禁卫军乐团，在那里担任小提琴和双簧管演奏员。1756年，英国和法国之间爆发了历史上的“七年战争”，德国也卷入其中；第二年，法国占领了汉诺威。赫歇尔不堪忍受战争之苦，于是他作
为一个逃亡者渡海偷偷跑到英国的伦敦。他的音乐天才使他在英国获得了成功，随着在英国知名度的扩大，他的地位也不断提升，先后担任过音乐教师、演奏师，并成为有一定知名度的作曲家。他的生活开始有了好转大约是在1760年，主要是他的音乐才华受到了伦敦达林顿勋爵的赏识，经他推荐，赫歇尔受聘于达勒姆郡军乐团。l766年，他被任命为巴思时髦的八角教堂的风琴手。由于有了稳定的收入，赫歇尔熬过了生活中最困难的时期，不再终日为生计而奔波了。
赫歇尔在演出和作曲之外，有了一此闲暇的时间，赫歇尔努力学习英文、意大利文拉丁文，同时广泛阅读牛顿、菜布尼茨等科学家的自然哲学、数学、物理学著作。1772年，赫歇尔作为访问者回到了汉诺威，当时他父亲已经去世，他说服了母亲把妹妹卡罗琳·赫歇尔带到英国帮他操持生活。青年赫歇尔爱好广泛。由于他对音乐理论的探讨涉猎了数学，进而又接触了光学。据说他父亲不仅精通乐理，而且是一名天文爱好者，赫歇尔曾在父亲的指下，对天文知识有着浓厚的兴趣。在父亲的引导下，赫歇尔对夜空中的许多星座都非常熟悉。赫歇尔具有强烈的求知欲，这促使他从乐器演奏转入对音乐理论的研究。为了研究乐理，他开始钻研剑桥的罗伯特—史密斯的《注音》。结果他意外地从该书提供的线索中，买到了史密斯撰写的两卷本的经典著作《光学》，这是一部能够在理论和实践上制作望远镜和显微镜的引导性光学著作，其中一章名为“望远镜对恒星的发现”，这些内容引起了赫歇尔从事观测和研究天体的强烈愿望和雄心。

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自制精良的望远镜
自古以来，人类对宇宙具有自然天生的敬畏和好奇心，这在赫歇尔身上有充分的展不。1773年，赫歇尔读了一本科学普及作家詹姆斯·弗谷森(James Ferguson．1710-1776)写的一本畅销书——《对牛顿爵士的原理的天文学解释》，有趣的是，该书作者与他同时代的许多人一样，(书中)认为所有行星以及恒星都是“为其合理的居民提供食宿”的，甚至彗星也可能住满了能够欣赏上帝手艺的生物，还有人认为彗星上“为折磨那些可恶的罪犯而充斥着永恒的冷热交替”。受此影响，赫歇尔甚至要把关于宇宙的这一通俗见解推广到太阳上去，一开始他相信太阳像行星一样是凉的，它是被云层包围着，云层保护着太阳上的居民不受其外层火球的伤害，太阳黑子是人们透过火球的间隙所瞥见的云层。俗话说“百闻不如一见”，为了亲眼看清史密斯和弗谷森书中所描述的那些天体，赫歇尔最初用折射式望远镜观察天体，但他感觉不理想，为了为他探索宇宙奥秘寻找更合适的利器，后来他转向了反射式望远镜。
由于买不起昂贵的望远镜，他决定自己动手研磨透镜，亲自制造反射式望远镜。从1773年起，赫歇尔在妹妹卡洛琳的帮助下，开始研制他的高精度天文望远镜。卡罗琳待哥哥非常好，她既聪明又勤快，主动悉心料理家务。有一次，赫歇尔连续磨了16个小时的望远镜镜头，忙得他连吃饭都顾不上，饭是由妹妹一口一口地喂下去的。那时，要制作口径较大的望远镜，其主镜只能用金属材料来磨制。为此，他们在家中架起了熔炼白青铜合金的熔炉，炼制出了一种反射率高达60％白青铜合金。兄妹俩不分昼夜，废寝忘食，把空余时间几乎全部用在了制造反射镜上面。经过两百来次的失败，他们终于制成了可用的反射镜面，而且望远镜口径愈做愈大，也愈来愈精密。说起来，制作望远镜的一切都是赫歇尔亲自张罗、设计或动手操作。他首先选用不同配比的铜、锑和锡合金为反射镜镜坯，经过精心打磨和抛光，制成聚光用的反射镜面。
1774年赫歇尔成功地安装了一架口径15厘米，焦距2.1米，放大40倍左右的牛顿式反射望远镜。通过这架望远镜，他第一次成功地看到猎户座大星云，并清楚地辨认了土星的光环。更重要的是，通过不断地实践和总结，他终于掌握了一套磨制抛物面反射镜的技术。从那以后，他除了晚上不知疲倦地做巡天观测之外，还时常利用白天的时间磨制望远镜镜面。1776年，他陆续磨制成功口径分别为15厘米、51厘米、122厘米的巨大反射式望远镜镜面。当时反射式望远镜的焦点多采用牛顿式，即在主焦点之前的光轴上，斜置一平面副镜，将焦点折射在镜简上端的一侧。赫歇尔为了减少折射光的损失，将主镜略微偏置，使星光经主镜反射后，焦点不会汇聚在光轴上，而是斜到镜筒上端的一侧。这样，可以省去牛顿式的平面副镜，从而提高聚光的效率。因为这一光学系统是赫歇尔发明的，所以后世称之为赫歇尔焦点，而按照这种光学系统制成的望远镜称为“赫歇尔望远镜”。
赫歇尔自制望远镜探索星空有他崇高的目标。他决心要找到困扰人类已久的天文学难题的答案：宇宙究竟有多大?其结构如何?银河是否有边界?若它的范围是有限的，那么又有多大?要解决以上这些难题，就必须知道恒星的距离。因此，赫歇尔开始了他那漫长艰辛但却伟大而辉煌的星空探索旅程。1787年，赫歇尔为了判断他的望远镜的视距是否真的已经贯穿了银河，即观测更遥远的昏暗天体，他决心再制造一架威力更大的望远镜。然而，因为他所要求的镜面口径实在太大，以至于超过了当地各个铸造厂的加工能力。因此，赫歇尔不得不决定在家里的地下室里亲自动手制造。他将分量不同的铜、锡、锑混合起来，再加熔铸磨研。但是第一面反射镜在冷却时破裂了。赫歇尔并没有气馁，又做了第二次尝试，可惜这一次熔化了的金属流出了容器，溢到地板上。赫歇尔再次受到了失败的打击。但是不久以后，赫歇尔在耐心细致的卡洛琳的支持和鼓励下，以百折不挠的毅力，虽几经失败，但不断总结经验和教训，改进工艺方法，最后终于浇铸出合格的大镜面镜坯。以此装配成的望远镜的性能，竟然比当时格林尼治天文台所用的望远镜还要优异。赫歇尔在一生中制作的各种大大小小的望远镜达数十架之多。

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赫歇尔制作的望远镜

shiyan_18@126.com 最后编辑于 2009-10-28 20:03:41

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赫歇尔描述的银河系结构示意图

shiyan_18@126.com 最后编辑于 2009-10-29 12:29:47

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透镜形状的恒星系统

shiyan_18@126.com 最后编辑于 2009-10-29 12:31:25

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发现天王星引起皇家重视
18世纪70年代末，赫歇尔在卡洛琳的支持和协助下，开始用他自制的望远望进行星空“巡视”观测。其主要内容是从他的住处逐个观察分布于北天球上亮于4星等的亮星。整个过程历时19年，被后人称作第一期星空巡视。1780年，赫歇尔又开始了第二期星空巡视。经过两次初步的观测，在1781年赫歇尔又开始进行他的第三次全面观测夜空的历程。
1781年3月13日晚，赫歇尔像往常一样，用自制的那架口径15厘米的反射望远镜观测星空。他每次观测都是聚精会神，不放过任何或许会带来新发现的可疑现象。当把望远镜转向双子座的时候，他注意到双子座有一颗很陌生的星，比较亮，可是在星图上却查不到它。他改用400多倍和900多倍的目镜仔细观测之后，肯定了这不是一颗恒星。因为，望远镜的倍率再大，恒星看起来始终是个星点儿，而目前的这个天体，呈现为一个蓝绿色的小球面形。随着目镜更换，看上去直径变得愈来愈大，形象却变得模糊了。为慎重起见，赫歇尔没有声张，而是连续10个夜晚密切地关注着这颗小星。他逐渐发现该星每天在缓慢地移动，虽然不易觉察出来。他最初向皇家天文学会报告说，新发现了一颗彗星。彗星一般都是拉得比较长的椭圆轨道，在离太阳愈来愈近的时候还会“长”出尾巴来。可是，这颗新天体却不是这样，它的边缘一直比较清晰，丝毫没有彗尾特征，而且它的轨道似乎接近圆形。
不久，赫歇尔根据所得到的观测数据，计算出它的轨道近似圆形，其距离太阳比土星远出约一倍。这时他意识到自己发现了一颗新行星。后来，法国天文学家拉普拉斯算出了它的轨道，距离太阳19.18天文单位(1天文单位为日地平均距离，约等于1.49亿千米)。经过一段时间的观测之后，天文界终于确定这是我们太阳系里的一颗新行星，它与太阳之间的距离，比当时所知最远的行星土星的距离远了一倍。
赫歇尔发现新行星的消息引起了极大的轰动。它后来被命名为天王星(取自希腊神话中土星父神的名字)，就这样赫歇尔一举成名『他从一个小城镇的音乐家和天文爱好者变成有重大发现的天文学家。后来，他又发现了两颗天王星卫星(即后来命名的天卫三和天卫四)和土星的两颗卫星(土卫二和土卫一)，加上先前惠更斯发现的一颗和卡西尼发现的四颗，使得土星有了7颗卫星。赫歇尔测定了土星的自转周期，并证明它的环也在旋转。其实，在赫歇尔发现天王星以前，已有几位天文学家曾观察过天王星。但因被束缚于陈腐的观念，即认为太阳系的范围只到土星为止，所以，有的人虽然多次看到它最后还是当作恒星而让它逃之夭天。
1781年当年，赫歇尔的好朋友华特生博士推荐他进入皇家学会。皇家学会颁给他柯普莱奖章以表彰他发现天王星，并且接纳他为皇家学会会员。赫歇尔兄妹的天文成就引起了英王乔治三世的注意，乔治三世也曾是汉诺威人，非常爱好天文。他于1782年亲自接见了赫歇尔，宽恕了赫歇尔年轻时檀离汉诺威军队的过错，任命赫歇尔为他的私人天文学家，并为赫歇尔提供年薪三百畿尼(Guine，旧英国金币，1畿尼=1.05英镑=2l先令，最初是用几内亚的黄金铸造的，因此得名)，以使他专心致志从事天文学研究。自此，赫歇尔放弃音乐，一心致力于他所钟爱的天文学。赫歇尔兄妹先是迁往温莎附近的达切特，1786年又迁往斯劳。他制造了一系列的大望远镜(一些还卖给其他国家)，进行了很多开创性的研究和观测，1816年他被册封为爵士。赫歇尔成为专业天文学家时已经43岁，从未受过正规的高等教育，他的渊博学识、数理基础、冶炼技艺等全凭勤奋自学得到。在他的职业生涯中，他共制作过400多架望远镜，其中最大最著名的是一台 40英尺(12米)长、口径49.5英寸(1.26米)的反射望远镜。

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赫歇尔的图片

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开创恒星天文学
赫歇尔最早研究了成双的恒星——双星，他很关注彼此靠得极近的两颗恒星，其实大约一个半世纪以前有人已发现这种成对的恒星。当时人们认为这些星之所以靠得那么近，是因为它们几乎恰好位于同一条视线方向上，而实际上，“双星”中两颗恒星相距很远。倘若情况真如此，那么，与较远的那颗星相比，较近的这一颗就应该显示出视差位移。无疑，有时情况正是如此。赫歇尔对此作了大量观测，发现两颗星都未显示出视差位移的现象。根据它们的运动方式，赫歇尔作出这样的结论“ 它们不是看上去粘在一起，而且实际上也的确靠得很近。”直至1793年，在大量观测的基础上，他确信成对的两颗恒星是在相互绕转。赫歇尔一生共发现了 800多对这样的“双星”——他这样称呼它们，这个名称沿用至今。赫歇尔非常仔细地观测了那些光度有变化的恒星，他是第一个系统地报道变星的人。
随着赫歇尔制作望远镜水平的不断提高，他的望远镜。洞穿“空间的能力也越来越强。赫歇尔发现了越来越多的星云，甚至以前从未知晓的星云，都被他那威力巨大的望远镜捕捉到了。由于当时的观测设备的限制，天空中遥远的星云在人们看来不过是发光的斑点而已，一些天文学家经过观测，发现星云所发出的光呈乳白色，就认为星云不过是数不清的星聚集而成的。另外有些天文学家则认为，星云就是会发光的流体构成的。而赫歇尔发现，大口径望远镜非常适合用来解决关于星云本质的天文学基本问题。
从1781年到1782年的冬天，赫歇尔对星云基本构成的研究兴趣愈发浓厚。经反复仔细观测，他发现，他的高倍率望远镜能够辨别出几个星云团中的恒星个体。这一发现使观测者认为，星云之所以看过去是一片白茫茫的东西，是由于观测的装备不够先进，只要有更精良的观测设，他们一定能分辨出其他星云里的恒星。这项发现促使赫歇尔在1784年和1785年提出所有的星云都是由恒星组成的理论。其主要内容是：不必再用发光的奇妙流体来解释星云了，存在不能解析的星云是因为它们离我们太遥远的缘故；赫歇尔提出存在着由众多恒星聚集为巨大天体的假设。
赫歇尔常动手描绘星云星团草图，并通过排列草图顺序展示星云凝缩成恒星的过程。他在1811年指出，尽管天文学家本身的生命跨度有限，但他们仍然可以成功地了解由引力作用所导致的星云变化，为此，他们必须选择处于不同的演化阶段的星云样本，然后将其按年龄进行分类和排序。他还这样说过：“在相邻的两个之间也许没有多大差别(在分类排列时相邻的星云)，但如果我可以做个比喻的话，这就像如果我们对一个人进行年度记述的话。它就能给出这个人从刚出生的婴儿到其盛年的成长过程一样。”
赫歇尔当时通过把恒星密集的球状星团和疏散的星团做比较，发现这种结构形式还可以显示出引力作用的大小。他提出推论，经过一段时间后，疏散星团必然会集中形成一个密集的星团和几个更紧密的星团。也就是说，恒星疏散的星团是由于星团处于早期发展阶段，而恒星密集的星团则属于星团的晚期阶段。因此，赫歇尔提出天体有“时间的变化”(即演化的)，这一说法后来成为一个基本的科学概念。1785年，赫歇尔还发表了自己的天体演化理论。他指出，在广阔无垠的太空中，恒星最初是分散的，但随着引力的作用，渐渐聚集起来，形成更加密集的星团。

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系统观测恒星探究宇宙结构
当年伽利略刚刚把望远镜指向夜空，就发现了很多用肉眼看不见的恒星，银河那白茫茫的光带原来充满了恒星。后来，赫歇尔把望远镜每改良一次，就能发现一大批更多、更暗的恒星。他通过对星空所做的系统观察发现，恒星在有些方向上多，有些方向上少。但他并不满足于这种定性的判断。1784年，赫歇尔决心要数一数天上的星星究竟有多少，并且想了解在不同的地方，星星的数目究竟是怎样分布的。要数清天上的星星，那可不是一件容易的事。耐心的赫歇尔首先把天空均匀分成几百个区域，然后数出每一个区域中用
望远镜能看到的恒星。结果，赫歇尔发现，越靠近夜空中的那条乳白色的光带一一银河，每单位面积上的恒星数目就越多，在银河的方向上达到最大值，而在与银河平面垂直的方向上，星星数目最少。
对于这种现象应该怎样解释呢?赫歇尔经过研究分析认为，恒星均匀地分布在形状如一个“透镜”或者一块“磨盘”那样的空间里，而我们的太阳系可能大约位于靠近中心的地方。而地球人朝着“透镜”直径方向看去，便可以看到一些较近的，因而较暗的星星，在外面是数目更多的更远的更暗的星。而大量十分遥远的星星由于亮度太暗、肉眼不可能一一分辨出来，只能看到白茫茫的光带，即银河。赫歇尔就是这样，用统计恒星数目的方法证实银河系为扁平状圆盘的假说。他开创了对银河系结构的研究，绘制了第一张银河截面图。
“在这个运动的宇宙里，为什么只有太阳一个是静止的呢?”赫歇尔在1783年就是抱着这样一个想法，开始研究太阳的空间运动状况的。远在公元八世纪初，我国唐代杰出的天文学家一行把自己测量的恒星位置与汉代测量的位置相比较，发现有变化。但他没有对此现象做出解释。1000多年后，英国天文学家哈雷用同样的方法(即参照古代记载的恒星位置)，发现天狼星，大角和毕宿五这3颗亮星有了明显的移动。为了研究的方便，人们把恒星的空间运动分成两个分量一个是视向速度，它在视线方向；一个是切向速度(即与视线垂直)，表示为“自行”，即恒星每年在背景上位移的角度。
在赫歇尔那个时代，自行已被测定的恒星还很少。赫歇尔利用当时已知的资料，研究分析了天狼星、北河二、北河三、南河三、轩辕十四、大角和牛郎星这七颗恒星的自行。他发现，这些运动的恒星，按它们在天球上的位置，确实有一致的倾向。赫歇耳认为这反映了太阳在空间的运动，并且指出太阳正在向武仙座运动。过了 50年，也就是1837年，一位法国天文学家使用更可靠的方法，终于证实了太阳的这种运动。根据现代天文观测，太阳运动“向点”——目标是在武仙座旁边的天琴星座里，距离赫歇尔当年确定的位置相差并不远；太阳朝着向点运动的速度(相对于太阳邻近的恒星)为每秒19千米。
1786年，赫歇尔向皇家学会呈交了记有1000个新发现的星云星团表。1788年赫歇尔全家人移居到斯劳。赫歇尔在新居前开辟出宽阔的场地，准备安装正在研制的口径达122厘米(48英寸)的望远镜。1789年，赫歇尔完成了他的第二部记录有1000个新发现的星云星团表。同年，他的48英寸望远镜制造完成。这台巨大的望远镜具有非凡的探空威力，但由于其镜面由反光金属制成，焦点长度为12米，所以启动非常不便。除了需要极大的毅力、耐心和观测技巧以外，观星者还需要付出繁重的体力劳动。虽说如此，这台巨型望远镜仍不失为18世纪的天文奇迹之一。
1802年，赫歇尔发表了第三部新发现的1000个星云星团表，结束了长达19年的星云“巡天”观测计划。就这样，经过近20年的艰辛探索，赫歇尔和卡洛琳发现了3000多个星云和星团。在赫歇尔开创这一
观测计划以前，天文学家已知的非恒星天体总和也不过150个。虽然赫歇尔建造口径122厘望远镜是为了验证其所有的星云均是恒星集团的理论，但是在这台望远镜正式使用以前，赫歇尔根据自己观测到的行星状星云，确证了深空中确实存在弥漫状天体，它们是云气，而非原来认定的恒星。
19世纪初的天文学家并不知道赫歇尔发现的：3000个非恒星天体除少数星云和气体星云外，大多数为星系。又过了100年，人们才确认了它们原来是银河系以外的星系，也就是赫歇尔所预言的由恒星集合而成的“宇宙岛”。赫歇尔发现的星云，以及由他编撰的非星天体表，为20世纪星系天文学做了超前准备。由于当时的观测设备的限制，夜空中遥远的星云或星系在人们看来不过是暗光斑而已，一些天文学家经过观测，发现星云所发出的光呈乳白色，所以认为这种星云是数不清的恒星聚集而成的。另外还有天文学家认为，星云是由会发光的流体构成的。赫歇尔通过用自己的大望远镜观测表明，大口径望远非常适合用来解决“星云”到底是云还是星星聚集这个问题。
赫歇尔还在另一个方面扩展了人类的视野，那是在1800年他发现了太阳红外辐射。他当时用温度计测量太阳光谱的各个部分，结果发现，在将温度计放在光谱红端外测温时，温度上升得最高，而那儿却完全没有颜色。于是他得出结论：太阳光中包含着处于红光以外的不可见光线。现在人们称为红外辐射。
赫歇尔之所以能在天文研究中有如此丰硕的成果，是与他几十年如一日的勤奋工作分不开的。他移居斯劳以后，每天晚上只要不受月光和天气等观测条件的妨碍，总要在妹妹卡洛琳的陪同下观测夜空。如果遇到多云的天气，他就请人看守，只要天空的云气散了，就随时通知他来继续观测。赫歇尔是如此地热爱他的天文学事业，用他全部的精力致力于对浩渺无限星空的探索，直到50岁时，即1788年，才娶了H．皮特为妻。1792年，赫歇尔的独生子约翰·赫歇尔出世，后来也成为著名的天文学家。1821年，赫歇尔与儿子一起创建了英国皇家天文学会，他被选为第一任会长。1822年8月25日威廉·赫歇尔病逝于斯劳，享年84岁，这恰好等于天王星绕太阳运行的公转周期。卡罗琳终生陪伴哥哥从事天文观测等工作，后来也成为著名天文学家，她一生曾发现了8颗彗星，享年98岁。

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