定位星系

当这位大师出现的时候，以他表现出的个人能力素质完全能够完成这项工作。埃德温·哈勃于1889年出生在美国。在年轻的时候，他曾经梦想着做一名职业拳击手。他在牛津大学取得了法学博士学位，而后却最终成了一位天文学家。在一些同事的记忆中，20世纪20年代在加利福尼亚的威尔逊山天文台工作的哈勃，是一个勤勉认真的天文观测者，他极为耐心地、仔细地把所有的观测结果放在一起进行综合分析，就像一个谨慎小心的律师在为他的诉讼进行精心的准备。而哈勃的另外一些同事回忆起的则是哈勃观察所有的事物、哪怕是瞬间即逝的事物的天才和灵感。也许哈勃是勤奋与天才二者兼而有之。

哈勃使用了当时威尔逊山上威力最大的望远镜。在他最想从事的研究课题中，首先是关于星系的距离问题，以及通过对星系所发出的光的夫琅和费线的研究和由此进行的对天体运动和化学成分的研究，可能得到的更多的对星系的认识。这时，哈勃手里还有另外一个确定遥远天体的距离的非常有用的工具。

在20世纪之前，有一种测量天体到地球之间距离的基本方法在长达2000年中一直在使用着，而几乎没有任何变化。当然，自从埃拉托西尼及古希腊人用立竿见影法和几何学得出太阳的距离以来，这种方法变得更加精确，但它仍然只能在一定限度之内完成这种测量。数学的发展使得当时测量银河系内较近恒星的距离成为可能，但对更远的恒星就无能为力了。1912年，美国女天文学家赫丽塔·利维特找到了一类恒星，这类恒星对天文学家们测量天体距离大有用处。许多恒星的光度是变化的，有些恒星的光度有着周期性的变化。变化的原因是很复杂的，而且在现在讨论的这个问题中并不太重要，重要的是利维特发现这类恒星的光度变化是有规可循的。这类恒星叫作仙王座δ型变星（中国天文学家称之为造父变星。——译者），得名于第一颗被发现的这类变星是仙王座δ（恒星仙王座δ的中国名是“造父一”。——译者）。

在我们的银河系中造父变星的数量不是很多，因为在数百亿颗恒星中只发现了数百颗。但是如果把其中一颗的光度变化规律描绘在一张图上，就会发现它极具个性——非常有别于其他类型恒星的光度变化——也就非常容易肯定这就是一颗造父变星。这有点像从红色郁金香的花圃中挑出一只黄色的郁金香那么容易。这种变星的真实光度和光变周期之间有一种固定不变的联系。正是这种联系给哈勃提供了一件工具，使用它就可能测量遥远太空的任何一个角落到地球的距离。具体做法大致是这样的，先用传统的数学方法测量出邻近的造父变星的距离并测出它的光度（使用望远镜加光度计等仪器可测量恒星的光度。——译者），这样就得到了一只可用来比较的准绳。例如要测量一个遥远的星系到地球之间的距离，首先必须在这个星系中找到一颗造父变星，然后测量出它的光度，并与已知其距离的邻近的造父变星相比较，通过二者之间光度的比例就可以确定二者的距离的比例，它们之间有一种固定的比例关系；由此就可以进一步求出遥远的造父变星的距离和它所在的星系的距离了。（通过已知的邻近造父变星的周期、距离参数，天文学家们确定了造父变星的周期-光度关系。除了要测出遥远星系中造父变星的光度外，还应测出它的光变周期。这样，利用已知的造父变星周期-光度关系就可以得到它的“期望光度”，然后使用光源视亮度和光源距离的“反平方定律”关系，即光源的视亮度与光源到观察者之间的距离的平方成反比，就可以确定它和所在星系的距离。--译者）

哈勃（1889—1953）正在观测（右图），他使用的是加利福尼亚威尔逊山天文台的100英寸“胡克”望远镜（左图）。

“100英寸”指的是望远镜主反射镜的直径；至于望远镜整体的大小，可以从与哈勃坐的椅子的比较中看出来，那椅子就在左图最右端的观测平台上。观测室的天窗打开后，望远镜将指向观测天区，观测平台亦将沿弧形轨道上升到望远镜筒顶端的目镜所在的位置旁边。观测目标的光射到望远镜筒底端的主反射镜，然后向顶端反射回来进入目镜。

这就是说，只要在威力强大的望远镜里能够分辨出在遥远星系中单个的造父变星，那么遥远星系的距离也就可知了——哈勃开始通过研究一个个星系来描绘宇宙的图景，这项艰巨的工作曾使有些人望而却步。哈勃意识到，现在不仅可以通过造父变星方法确定星系的距离，还可以通过分析光谱中的夫琅和费线的方法，确定星系中恒星的成分；还可以通过星系中某元素特征谱线的多普勒频移，确定星系的运动方向和速度。即多普勒频移越大，光波被“压缩”或“拉长”的程度也就越大，星系远离或接近的速度也越高。哈勃和他的研究小组非常耐心地分析来自每一个星系的光及它的光谱，由此来构筑尽可能完善的宇宙图景。

不出所料，他们发现氢和氦是在所有星系中存在最多的元素。这就重新验证了哈根斯的结果。而出人意料的一点是，所有他们分析过的星系的光都发生了红移，换句话说，似乎所有的星系都在远离我们。更有甚者，从他们证认出的造父变星来看，河外星系到地球距离之远大大超出了以往人们的想象，有的竟有几十亿光年之遥。哈勃和他的同事们还意识到，由于河外星系所发出的光在到达地球之前要旅行如此之长时间，今天我们所观察到的星系乃是它们在遥远的过去的形象，它们也已经走过了漫长的演化之路。有的星系距离达80亿光年，它的光谱红移远大于其他的星系（现在已观测到众多的距离超过100亿光年的河外星系。——译者）。换句话说，这些最老的和最远的星系，远离我们的速度也最快，大大超过那些和我们邻近的星系。