01 大辩论

在1920年4月26日举行的天文学“大辩论”中，有两个争论的焦点：一是银河系到底有多大；二是旋涡星云的本质是什么。事实上，会议中根本就没有发生真正意义上的辩论。大会上对立的双方只是分别做了40分钟的演讲，接下来是很平常的讨论。会议在史密森尼国家自然历史博物馆（当时为美国国家博物馆）举行，主题是“宇宙的尺度”。尽管沙普利和柯蒂斯在宇宙尺度的问题上存在严重分歧，但双方捍卫自己观点的方式，也仅限于在次年的学术期刊上发表各自的论文而已。本质上，沙普利认为银河系基本就是宇宙的全部，或者至少是宇宙中最重要的部分，他感兴趣的是我们银河系的尺度；柯蒂斯则认为，旋涡星云是与银河系一样独立的星系，他更关心银河系以外的空间有多么辽阔。

“大辩论”的发生正当其时，因为天文界刚研究出了一些适用于测量银河系尺度的测距技术。可以用伦纳德·迪格斯的方法——也就是三角视差法测量地球到附近恒星的距离。对那些距离比较近的恒星，经过长时间观测可以发现，它们在星空背景上有轻微的偏移。当地球在其绕太阳轨道的相对两侧，也就是位于间隔6个月的两个位置观察时，这种偏移达到最大。其实，只要将恒星想象成一根手指，就能解释这种视差现象。将手指放在眼前，保持不动，轮流用一只眼睛看，会发现手指相对于背景有偏移。手指离眼睛越近，视差效应就越大。与此类似，三角视差法只需知道恒星（角）位移的大小和地球轨道的直径（已从太阳系的三角测量中得知），就可以计算出恒星到地球的距离。

不幸的是，大多数恒星离我们太远，这种视差效应太小，以至于根本无法测量。即使是最近的恒星半人马座阿尔法星（Alpha Centauri），距离太阳也非常遥远，远到光需要4.24年[1]的时间（也就是4.24光年远）才能穿越两者间的广袤空间。到1908年，用三角视差法成功测量出距离的恒星，大约只有100颗。另一种涉及几何的测距方法是利用离我们较近的移动星团，并假设其中的恒星一起在太空中移动，这样测量的距离可以远达100光年，或者，用天文学家常用的单位表示，大约为30秒差距（1秒差距差不多是3.26光年）。这种方法使天文学家足以校准天文学中最重要的示距天体。[2]

想要明确这个新示距天体在透视法中的重要性，只要看看在20世纪早期对银河系大小做出的最佳估计就明白了。荷兰天文学家雅各布斯·卡普廷（Jacobus Kapteyn）根据前文解释过的测距法与观测到的恒星的视亮度，统计了不同方向上相同大小的天空区域内可见的恒星数量，并估算了地球与这些恒星之间的距离。他由此推断，银河系就像个铁饼，中间厚度大约有2千秒差距，直径为10千秒差距，太阳居于其中心附近。现在看来这个估算值太小了，主要是因为恒星间有大量的尘埃，但卡普廷对此并不知情。尘埃就像雾一样，使我们沿银河系平面方向看不了多远，这种现象被称为恒星消光。就像迷失在雾中的旅行者自认为站在世界中心一样，卡普廷似乎也迷失在银河系的迷雾中，封闭在自己的小宇宙中心。就在不到100年之前，大多数天文学家还依然认为，银河系就是宇宙的全部。

在20世纪的第二个十年，情况开始发生变化。哈佛大学天文台的亨丽埃塔·斯旺·莱维特（Henrietta Swan Leavitt）发现一类被称为造父变星（Cepheid）的恒星有特殊的亮度变化方式，这使得它们可以被用作示距天体。每一颗造父变星都有规律地变亮或变暗，并精确地重复这个光变周期。有些造父变星在不到1天的时间内就完成一个光变周期，另一些则需要长达100天时间。北极星就是一颗造父变星，光变周期接近4天。但北极星的亮度变化太小，肉眼很难察觉。莱维特的发现的意义在于她指出了较亮的造父变星比较暗的造父变星光变周期要长。更具体地说，造父变星的光变周期与其亮度之间存在确切的对应关系。例如，周期为5天的造父变星，其亮度是周期为11小时的造父变星的10倍。

莱维特是在研究小麦哲伦星云（Small Magellanic Cloud， SMC）中数百颗恒星时发现这一现象的。小麦哲伦星云是一个与银河系有关的恒星系统。她不知道小麦哲伦星云离我们有多远，但这并不重要，因为对我们来说，该星云中所有恒星与地球的距离基本上都是相同的。所以，无须担心距离不一致引起亮度上的差异，可以直接比较它们的亮度。1913年，丹恩·伊格纳·赫茨普龙（Dane Ejnar Hertzprung）采用几何法测量了离地球最近的13颗造父变星的距离，并利用这些观察资料，结合莱维特的数据，计算出了一个假想的、光变周期恰好为1天的标准造父变星的真实亮度。有了赫茨普龙的距离基准（周光关系），就有了测出其他任何造父变星的距离的可能：根据造父变星的光变周期与赫茨普龙的距离基准（周光关系），就可以计算出造父变星的真实亮度（绝对星等），然后将结果与这颗造父变星在天空中的视亮度（视星等）进行比较，进而得出距离。造父变星的视亮度越暗，距离就越远。依据这个基准（周光关系），小麦哲伦星云至少位于10千秒差距之外。尽管后来根据更精确的观测数据和对恒星消光的理解，人们对赫茨普龙当初的基准进行了修正，但在1913年，相比于卡普廷的估算来说，这个值标志着整个银河系的大小（整个宇宙！）已经有了大幅增加，小麦哲伦星云离我们是如此遥远。

正是沙普利本人，在创建了自己的造父变星光变基准之后，利用造父变星技术描绘了银河系的大小和形状。这是他对这场大辩论的核心贡献。

沙普利成功测量银河系大小的关键在于，他能够使用变星来测量被称为球状星团（globular cluster）的恒星系统的距离。顾名思义，球状星团是球状的恒星系统。银河系平面的两侧都可以看到球状星团。球状星团可能包含成千上万颗独立的恒星，而在星团的中心有多达1000颗恒星聚集在1立方秒差距的空间中。这与银河系中我们所在的区域完全不同，太阳周围1秒差距的距离内没有任何恒星。通过测量到球状星团的距离，沙普利发现这些星团在太空中呈球形分布，球心在银河系光带中部朝向人马座方向的一个点上，距离我们有数千秒差距。这个点标记了银河系的中心，说明太阳系位于银河系非常边缘的地方 （图1）。1920年，沙普利估算出了我们的星系大约有30万光年（近100千秒差距）宽，太阳距离银河系中心大约有6万光年[3]（近20千秒差距）。他在华盛顿会议上将之表述如下：

星团理论得出的一个结论是，太阳离银河系中心非常远。我们似乎靠近一个巨型星团或星云的中心，但这片星云离银河系中心至少有6万光年。

图1　球状星团（圆形）只分布在天空的一侧，意味着太阳远离银河系的中心

从这张图上，沙普利及其他和他志同道合的天文学家看到，旋涡星云似乎不可能是像银河系那样的独立星系。他们的理由很简单：天空中物体的大小不仅取决于其真实大小，也取决于其与观察者的距离。实际生活中有很多这样的例子，比如一头站在田地另一边的牛，远看就像拿在手中的玩具牛一样大。如果旋涡星云的直径在30万光年左右，那它们在天空中呈现的视角如此微小，显然意味着它与们我们有数百万光年的距离，这也太大了。沙普利辩称，旋涡星云要么是银河系内的造星系统，要么至多是银河系的小卫星星云。与银河系大陆相比，它们是岛屿。“我宁愿相信，”他说，“那里面根本没有恒星，只是些云状物质罢了。”

他还备有另外一个撒手锏。荷兰天文学家阿德里安·范·马南（Adriaan van Maanen）恰巧是沙普利的好朋友。他声称自己通过对比相隔几年拍摄的照片，测量了几个旋涡星云的旋转，发现了非常小的旋转。他说，测量到M101星云转过了0.02弧秒，大约是从地球上观看月球视角大小的0.001%。这样的旋转可以换算成星云上任意位置处与旋转中心的距离成正比的线速度。当然，这取决于旋转物体的实际大小。如果这些旋涡星云的大小与银河系相当，范샀马南的测量结果就意味着某些位置的速度几乎与光速相同，甚至比光速更快。如果他的说法是对的，那么旋涡星云肯定很小，而且离我们较近。大多数天文学家很难相信范샀马南能进行如此精确的测量。后来的研究表明，范샀马南犯了错误，没有人确切知道是什么导致了这个错误，但在当时那场伟大的辩论中，是否相信他的数据是一个信任问题。沙普利信任他的朋友。在1921年发表的论文中，沙普利强调范샀马南的研究结果对宇宙岛理论似乎是“致命的”，“那些明亮的旋涡星云，不可能像宇宙岛理论要求的那样遥远，那是不合理的”。

柯蒂斯不相信范샀马南的测量结果，也不相信新鲜出炉的造父变星距离基准。在华盛顿的会议上，他概述了先前人们对银河系大小的各种估计，并故意将沙普利在1915年发表的银河系直径仅有2万光年的测算纳入其中。他得出结论：“充分考虑传统观点，假定将银河系直径的上限定为3万光年，或许这的确太大了。”这一数字恰好是沙普利在1920年新估算值的1/10。柯蒂斯还表示，太阳虽然不是位于银河系的中心，但“相当接近”。对他来说，这些都是小事，只是在谈到他真正关心的话题之前简短地提了一下。柯蒂斯真正关心的是旋涡星云的本质以及它们到地球的距离。

柯蒂斯认为，就像银河系一样，旋涡星云是遥远的星系。柯蒂斯在论证过程中使用了两个关键事实。第一个事实是洛厄尔天文台维斯托샀斯里弗（Vesto Slipher）的发现：到目前为止，大多数旋涡星云似乎正以极高的速度离我们而去。这是通过测量这些星云光谱中的谱线向红端移动的幅度，并与从附近恒星和地球上热物体发出的光的谱线对比而发现的。

来自任何热物体（包括太阳和恒星）的光，通过棱镜都可以形成彩虹图案，或者说光谱。每一种化学元素，比如氢、碳等，都会在光谱中产生一组特有的明亮谱线，就像超市商品上的条形码一样。当物体远离我们时，所有的谱线都向光谱的红端移动，移动的幅度取决于物体退行的速度，这就是著名的多普勒红移。同样，当物体向我们移动时，谱线条纹会向光谱的蓝端移动，这就是蓝移。在银河系中的恒星显示出既有红移，也有蓝移，对应速度从0到几十千米/秒不等。

在20世纪的第二个十年中，为测量旋涡星云微弱光谱中谱线的位置，摄影技术被推向了极致。直到1912年，斯里弗才获得了仙女座星系（也被称为M31）的光谱图，现在我们知道它是离银河系最近的旋涡星系。他发现光谱向蓝端发生了位移，这表明该星云正以300千米/秒的速度冲向银河系。这是当时测量到的最高速度。到1914年，斯里弗已经获取了15个旋涡星云的类似光谱。其中只有2个星云（包括M31）显示出蓝移，其他13个都显示出红移，并且13个中有2个显示出1000千米/秒以上的退行速度。到1917年，他获取的光谱中有21个是红移，但仍然只有2个是蓝移。即使到今天，仍然只有2个蓝移。无论旋涡星云的本质是什么，斯里弗测量到的速度表明，这些星云不可能是银河系的一部分，它们的运动速度太快，无法被引力束缚在银河系内。尽管1920年的时候，还没人清楚这些星云高速退行的原因，但柯蒂斯认为这就是证据，证明旋涡星云不仅与银河系毫不相关，而且旋涡星云就是实实在在的“宇宙岛”。

柯蒂斯使用的另外一个关键事实是观测到的恒星突然耀发事件。这类恒星被称为新星（nova），源自拉丁文中的“新”一词，因为它们似乎是突然光芒四射地出现在以前没有恒星的地方。然而，现在一切都很清楚了，所有的新星都是恒星的爆发。爆发前这些恒星都非常普通，由于与背景相比太暗淡而不易被观测到。这是一种非常自然但相当罕见的恒星现象。

图2　这是NGC 4414，典型的圆盘星系，由哈勃太空望远镜上的第二代广域行星照相机（WFPC21）拍摄

1　WFPC2，全名为Wide Field and Planetary Camera 2，哈勃望远镜的第二代广域行星相机。

1920年，柯蒂斯指出：“仅在过去的几年里，就在旋涡星云中发现了大约25颗新星，其中16颗位于仙女座星云中。与之相比，在银河系的全部历史记录中，只有30颗新星。”假设仙女座中的恒星不比银河系中的恒星更有可能成为新星，那么在仙女座星云中看到更多的新星说明其恒星数量比银河系多。大体上，从不同旋涡星云中看到的新星的视亮度（暗弱程度）应该与银河系中新星的视亮度是相同的。假如旋涡星云的大小与柯蒂斯对银河系大小的估算相近的话，那么就意味着这些新星的距离遥不可及。

美中不足的是，1885年，也就是在仙女座星云被认定为旋涡星云的那十年里，一颗明亮的恒星在星云中突然耀发。这个新星的视亮度与银河系典型新星的视亮度大致相同。这意味着，要么仙女座星云其实是银河系的一部分，要么星云像柯蒂斯所说的那样遥远，而这颗恒星是某种超强新星，其亮度相当于10亿颗太阳的总和，比19世纪银河系观测到的任何新星都明亮得多。这对柯蒂斯来说是一个难题。为回避问题，他提出可能有两种新星，一种比另一种亮得多。在当时的听众看来，这几乎是胡言乱语。现在，我们知道确实有如此壮观的恒星爆发，这就是超新星，短时间内可以像1000亿颗太阳一样明亮。事实上，超新星的亮度相当于星系中所有其他恒星的总和。

正如柯蒂斯在辩论中总结的那样：

似乎应当将旋涡星云视为星系，这样在其中观测到新星就显得很自然了。旋涡星云中的新星与银河系中的新星之间的相关性表明，旋涡星云的距离从50万光年（如仙女座星云）到1000万光年（更遥远的星云）不等……在这样的距离下，这些宇宙岛的大小与我们自己的恒星星系的大小等同。

在1921年发表的论文中，他进一步写道：

这些旋涡星系，作为河外星系，向我们展示了一个更大的宇宙，其间我们可以穿越1000万到1亿光年的距离。

1920年4月26日，在华盛顿，柯蒂斯和沙普利就宇宙的尺度问题展开了一场辩论，但没有人获胜。两名参与者都确信自己获胜，这本身就说明没有赢家。他们都有正确的一面，也都有错误的一面。最重要的是，沙普利对造父变星距离基准（周光关系）的信任是正确的，尽管那时造父变星距离基准还不完善；柯蒂斯对旋涡星云是独立星系的看法也是正确的；沙普利把太阳放在远离银河系中心的地方也是正确的。至于银河系的大小，目前最好的估计是直径约为10万光年，比柯蒂斯的估算值大3倍，是沙普利估算值的1/3，所以他们的错误一样严重。而银河系的大小可以看作一个旋涡星系大小的平均值——我将在第4章讨论此问题。尽管这场伟大的辩论没有定论，但其提出的关键问题在20世纪20年代末之前得到了解决，这在很大程度上要归功于埃德温샀哈勃（Edwin Hubble）所做出的贡献。

[1]原书出版于2008年，本书内文中数据已根据最新数据更新过。本书注释若无特别说明，均为编者注。

[2]这里作者是指移动星团法，一种用运动学的手段测量距离的方法，也就是根据星团中各恒星的运动速度确定距离。应该特别指出的是，这种方法必须假定移动星团中所有的恒星都以相同速度、相同方向移动。对银河系之外的天体，即使用移动星团法也不能测定它们与地球之间的距离。

[3]现在人们已测得，太阳距银河系中心有2.6万光年（8千秒差距）。