威尔逊山天文台旧景。版权／Mount Wilson Observatory

在宇宙的某个角落，漂浮着一颗暗淡的蓝点，这就是我们的家园——地球。这颗蓝点上的生物，用他们的好奇心和智慧，一次又一次地揭开宇宙的神秘面纱。其中，最让人惊叹的一次探索来自于一位名叫埃德温·哈勃（Edwin Hubble）的天文学家。一百年前，正是这位坚韧的科学家仰望星空，不断追问着那些让人困惑的谜团，才终于让我们找到了照亮宇宙的“灯塔”。

在20世纪之前，人们普遍认为我们的银河系便是整个宇宙的全部。然而，一些不同的声音开始质疑这样的宇宙图景。他们坚信宇宙是一片浩瀚的大海，银河系只是漂浮在这片大海上的一座小小的岛屿。这个观点最早由18世纪的德国哲学家康德提出，因为当时的天文学家已经在银河系边缘发现了一些螺旋状的星云。不过由于一直无法确定它们与地球相距多远，于是康德就提出了一个大胆的猜想：这些螺旋星云都是和银河系一样的岛屿。

随着19世纪末到20世纪初光谱学的发展，天文学家们开始了对宇宙更加深入的探索，逐渐揭开了这些神秘星云的面纱。在19世纪60年代，天文学家将星云发出的光分解，发现其中一些星云的光谱与灼热的氢气相吻合，说明那里除了星际气体之外就没什么别的东西了。而其他一些星云的光谱更为复杂，类似于恒星的光谱。统计表明，大约三分之二的星云实际上属于后者。不少星云还显示出复杂的旋转结构，因此在当时被称为“螺旋星云”。然而，这些进展反而引发了更多的疑问：这些“螺旋星云”到底是在我们的银河系内部，还是在外部？当时的人们无法达成共识。

天文学家注意到，“螺旋星云”中的一些恒星会偶尔发生被称为“新星”的爆发。新星的特性在于它们的固有亮度大致相同，天文学家称之为“标准烛光”。这意味着，新星可以用来测量距离。比如，如果你近距离观察一枝燃烧的蜡烛，它会显得很亮。但是，如果你站在远处看，它就会显得暗了许多。这是因为光在从光源发出后以球形扩散，而你离光源越远，光照到你的部分就越少。因此，通过测量新星的亮度，我们就可以大致推测出它距离我们有多远。

1917年，天文学家在被认为是“螺旋星云”的仙女星系中发现了四颗非常暗淡的新星。这些新星的暗淡程度表明，仙女星系距离地球大约一千万光年。大约在同一时间，美国天文学家哈洛·沙普利利用另一种恒星——天琴RR型变星作为标准烛光，测量了银河系的大小，却发现其直径只有几十万光年。

沙普利认为螺旋星云是银河系中的天体，而我们的银河系就是整个宇宙。然而，另一位天文学家柯蒂斯坚决不同意这个观点，他认为螺旋星云实际上是独立的星系。于是，一场关于宇宙的世纪大辩论开始了。

1920年初，美国科学院为提升其影响力，计划组织一场面向公众的辩论，并邀请两位知名的科学大咖参与。虽然有人提议可以搞一场关于冰川的辩论，但威尔逊山天文台台长乔治·海尔坚决反对，他认为应该选择最前沿的科学问题，从而产生更大的社会影响力。因此，他推荐了两个辩题，即爱因斯坦的相对论以及宇宙的尺度。

由于相对论在当时被认为过于超前，美国科学院最终选择了关于宇宙的尺度这个辩题。有了辩题，接下来就是选出辩手。根据海尔的建议，沙普利和柯蒂斯被选为最合适的参与者。沙普利作为正方，他坚持银河系就是宇宙的全部；而柯蒂斯作为反方，他相信“宇宙岛”理论，认为银河系外还有很多其他星系。双方争论的焦点，就在于银河系究竟有多大。

1920年4月26日，这场举世瞩目的世纪大辩论在纽约市的史密森自然历史博物馆拉开帷幕。沙普利主要依据球状星团的观测数据，提出银河系的直径约为30万光年；柯蒂斯则基于黄矮星的分析，认为银河系直径仅为3万光年。事实上，目前的天文观测结果显示，银河系实际直径应为10万光年。那么为何这两位顶尖的天文学家都没有得出正确的结论？原因在于，他们采用的距离测量方法存在问题。

其实，无论是球状星团还是黄矮星，都不能作为可靠的测距标准烛光。后来的经验表明，最靠谱的测距工具是勒维特发现的造父变星。造父变星作为一类亮度呈周期性变化的天体，其光变周期和光度（也就是实际亮度）相关。所以，被认为是宇宙中最靠谱的标准烛光。

尽管这场世纪大辩论吸引了大量的公众关注，但并未改变天文学界的分歧。具体来说，对于仙女星云这样的“螺旋星云”到底是属于银河系还是独立星系的问题，各方依然是“公说公有理，婆说婆有理”。直到3年后，一位年轻人的横空出世，才为这场世纪大辩论画上了句号。这个人就是美国天文学家埃德温·哈勃。

天文学家埃德温·哈勃。来源／wiki

哈勃和沙普利是来自密苏里州的老乡，他们的出生地相距不过150千米。哈勃比沙普利小4岁，出生在一个中产阶级家庭。他从小学业成绩就非常优秀，而且身材高大，是个体育特长生。哈勃的外公在他8岁的时候送给他一台天文望远镜，这激发了他对天文学的兴趣。然而，由于父亲的要求，他大学和研究生阶段分别是在芝加哥大学和牛津大学主修法律。后来，从英国学成归国的哈勃，并没有从事法律工作，因为他没能通过美国的司法考试。所以，他只好跑到家乡的一所高中教数学，并且兼校篮球队教练，成为了名副其实的“教数学的体育老师”。好在不久后，他在一位教授的帮助下，得以重返芝加哥大学，攻读天文学博士学位。

从1914年到1917年，哈勃成为了一名博士研究生，在隶属于芝加哥大学的耶基斯天文台学习和工作，他的天文学生涯也正是从那一时期开始了。当时，他的研究课题是用一台约1米口径的折射望远镜拍摄微弱星云的照片，这是当时最好的望远镜之一，也是有史以来最大的折射望远镜。按照计划，哈勃研究了星云的本质特征，并通过外观对星云进行了分类。到1917年的时候，这些观测已经使他确信，有些星云一定位于银河系之外，尤其是那些巨大的螺旋星云。

然而，他的这些观点在那时并未得到进一步的发展。因为美国参加了第一次世界大战，哈勃在完成博士论文答辩后，就于1917年4月参军去了。尽管哈勃参加了残酷的世界大战，但他在美国本土驻扎了一年多才被派往欧洲，而且他在法国服役的那段时间，也没有真正上过战场。

不久，他就以少校的军衔退役，随即被乔治·海尔以年薪1500美元聘请到威尔逊山天文台。1919年9月，哈勃回到威尔逊山天文台，成为了天文台的正式工作人员。威尔逊山天文台是现代天文学的圣地，不久前这里刚建成了2.5米口径的胡克望远镜。这台望远镜在接下来的30多年里一直是全世界最大、最先进的光学望远镜。在这里，哈勃有幸成为这座最强大的望远镜最早的使用者之一。

胡克望远镜。版权／Mount Wilson Observatory

然而，在这里哈勃也遇到了他一生的竞争对手，那就是沙普利。哈勃和沙普利都将胡克望远镜对准了仙女座星云和其它星云。幸运的是，沙普利不久后离开了威尔逊山天文台，接任了哈佛大学天文台台长，这样哈勃就得到了更多宝贵的观测时间。正是得益于大型望远镜的使用和摄像技术的改进，哈勃成功地抓住人生的机遇。在强大的望远镜加持和照片长期曝光的操作下，星云中那些原本肉眼看不见的现象，在他的底片中接二连三地出现。从此，坐拥全世界最强大望远镜的哈勃开始一鸣惊人。

1923年10月4日的夜晚，哈勃将胡克望远镜对准了仙女座星云的旋臂。虽然当时的观测条件并不理想，但他还是成功拍摄了一张照片。在40分钟的曝光后，照片上出现了一个点，看起来像是仙女座星云中一个可疑的新星。当然，这也有可能只是冲洗照片时不小心留下的痕迹。这一新发现立刻引起了哈勃的好奇，他在第二天晚上重复了前一晚的观测，并且延长了曝光时间。当他将新拍摄的仙女座星云照片与之前的进行对比后，他又发现了两颗新星。按照惯例，他在照片上将这些新星标记为“N”（nova）。由于这是他本月当班的最后一晚，第二天他带着新发现的三颗新星，满怀喜悦地离开了天文台。

回到办公室后，哈勃开始仔细地对比天文台的底片档案，他发现其中一颗被他标记为新星的星，其实在过去的记录中就已经出现过。这意味着这颗星并不是新星，而是一颗时隐时现的变星。这个发现让哈勃兴奋不已，他立刻在照片上将“N”字擦掉，写上了“VAR！”（variable）。哈勃激动地看着这毫不起眼的星点，这仿佛是仙女抛出的妩媚眼神，让他神魂颠倒。在核实无误后，哈勃激动不已。他十分确定这就是变星，而且正是造父变星！这是在仙女座星云中首次发现了造父变星。

很快，哈勃画出了这颗星的光变曲线，并测出其光变周期是31.415天。他又利用被测恒星视星等，以及造父变星的周光关系得出了最终结论，这颗恒星离地球约有90万光年。沙普利在很早前就已经确定了用周光关系测定造父变星距离的基准。所以，哈勃能够轻易地用这把现成的“尺子”，轻松地估计出仙女星云距离地球的距离。

此前，沙普利通过星团的测量发现，银河比其他所有人想象得都更大，以至于他认为银河就是整个宇宙，而宇宙的大小也不过是30万光年。哈勃则发现仙女座星云中的造父变星到我们的距离，是沙普利宣称宇宙直径的三倍。毫无疑问，仙女座星云是银河系之外的另一个恒星世界。

在接下来的几个月里，哈勃在仙女座星云中又发现了1个造父变星和9个新星，而且根据它们得出的结论也都是一致的。此外，哈勃在其它星云中也发现了造父变星和新星。1924年2月19日，依然沉浸在兴奋中的哈勃，给在哈佛的沙普利写了一封信。在寄出那封信之后，他倒忙里偷闲，自己结婚度蜜月去了。

在这封信中，哈勃毫不避讳地开门见山说道：“亲爱的沙普利：你可能会有兴趣知道，我已经在仙女星云中找到了一颗造父变星……”他还在信中附上了一幅描述这颗星的光强变化的曲线图。虽然，这颗极其微弱的亮度只有18等的星，其光强变化的周期却长达31天。根据周光关系，如此长的周期表明这其实是一颗内在亮度极其明亮的恒星。与它微弱的视觉亮度相比，说明它的距离非常遥远。

哈勃随信寄给沙普利的变星光强变化曲线图。版权／Mount Wilson Observatory

根据沙普利的高徒塞西莉亚·佩恩回忆，沙普利在寥寥地扫了一下哈勃的来信后，便立刻领悟到他自己的宇宙图景已经完全被摧毁了，只能哀叹道：“这封信摧毁了我的整个世界。”沙普利为此倍感惆怅与失落，在他看来，假如他当年留在了威尔逊山，这些伟大的发现也许就没有哈勃什么事了。

1924年底，美国科学促进会在华盛顿举行为期6天的年会。美国天文学会也一起凑热闹，同时举行他们自己的年会。普林斯顿大学教授亨利·诺里斯·罗素，也就是赫罗图的创建者之一，曾多次给哈勃去信邀请他参会，并且暗示他的论文一定能够赢得天文学会的年度大奖。

与此同时，哈勃的发现不仅在天文学圈子里不胫而走，就连《纽约时报》这些媒体也都纷纷报道了哈勃发现遥远宇宙的消息。但是，哈勃却迟迟没有提交论文，他害怕自己的数据或推论存在纰漏，于是躲在威尔逊山上拍摄更多的照片，希望掌握更多的数据。在罗素的反复催促下，哈勃终于给他寄去了一篇论文稿。他自己则依然待在威尔逊山，并没有亲自去参加会议。

1925年元旦注定要成为一个重要的历史性时刻。在乔治·华盛顿大学新建的大礼堂里，罗素宣读了哈勃题为《螺旋星云中的造父变星》（Cepheids in Spiral Nebulae）的论文。在论文中，哈勃报告说他已经在仙女座星云中找到了12颗造父变星，还在另一个星云中找到了22颗，而且在其它一系列星云中也看到了变星的迹象。不仅如此，他还报告说已经能够清晰地看到星云的外缘，是由一颗颗可辨认的恒星组成。所以，这些星云不仅非常遥远，也不像沙普利猜测的那样由气体尘埃组成，而是像我们的银河系一样群星璀璨。

终于，长久以来关于“宇宙岛”的争论平息了，一个超乎人类想象的大宇宙呈现在人们的面前。银河系之外，是更为广阔的世界，有无穷无尽的星系分布在无垠的宇宙。自此，天文学又一次进入了一个全新的时代。

1922年哈勃在操作胡克望远镜。来源／wiki

作者简介/

李亮，中国科学技术大学科学技术史博士，中国科学院自然科学史研究所研究员。

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原标题：照亮宇宙的灯塔

来源：中国国家天文

编辑：wnkwef

照亮宇宙的灯塔是什么？