宇宙(9)我们怎样测量银河系的大小，以及形状的？

夜晚的天空中都有啥？星星和月亮，那么除了这两个呢？人们还在天空中发现了一个巨型结构，横跨苍穹的银白色暗带。

这是啥？我们的银河系！但是古人哪里知道还有银河系这样的结构啊，所以他们就说这是一条河流，称为天河。是天帝不想让自己的女儿和牛郎相会，所以就在她俩中间弄了一条河。

古希腊人就认为这是宙斯的私生子，把他正妻的乳房给抓破了，所以她的乳汁就飙洒了一路，形成了一个“奶路”。

这种神话传说一般只能满足我们普通人的幻想，但哲学家并不吃这一套，其实从古希腊时期开始，人们在认识自然的过程中就已经在摆脱神的参与。

你看，亚里士多德就说银河系暗带是地球的大气现象，虽然是错的，但里面已经没有神了。德谟克里特就说，这是由无数的恒星构成的，这些恒星非常密集，所以看起来就是一条银白色的暗带。

很明显，他猜对了！1609年，伽利略才用望远镜证实了德谟克里特的想法。知道了这就是一个恒星密集区域。

但在这之后很长的一段时间内，我们对银河系的认识并没有多大的进展，直到18世纪英国天文学家威廉·赫歇尔才第一次对银河系做了系统性的观察，并且提出了一个银河系模型。

威廉·赫歇尔1738年出生在英国的汉诺威，他原本是一个音乐家，处在上流社会，有钱，有时间，所以跟当时的大多数有钱人一样，天文学是他的业余爱好。

闲下来就用望远镜看看天空，但威廉赫歇尔觉得买来的望远镜都不好，满足不了自己的要求，所以他想自己动手做一个更好的望远镜，就找来了妹妹卡罗琳帮忙，正是这件事让威廉·赫歇尔彻底的爱上了天文学。

到了1774年，他的望远镜终于是造好了，镜筒长1.5米，镜面宽20厘米，正是这架望远镜改变了他的后半生。

1781年3月31号的晚上，威廉赫歇尔像以往一样扫视着天空，他在双子座方向看到了一颗模糊的光斑，经过几个晚上的持续跟踪，发现这个东西在移动，威廉赫歇尔就认为这是一颗彗星，并把它汇报给了天文学会。

很快人们就根据他的轨道，判断出这不是啥彗星，而是一颗行星:天王星。并且算出了他的距离为19.2AU，太阳系的范围一下翻了一倍。

威廉赫歇尔也因为这个发现名声大噪，并且获得了一个职位：皇家天文官，从此以后他也不玩音乐了，跨行成为了一名职业天文学家。

大获成功的威廉·赫歇就开始拉投资，在他的居住地史老建造了一个当时世界上最大的望远镜，镜筒长12米，镜面宽度1.2米，整个望远镜架设在一座由木杆和木梯搭成的巨大木制结构上。

如此庞大的望远镜肯定会带来非凡的发现，赫歇尔利用这颗望远镜记录了数十万颗恒星的位置，发现他们好像都聚集在一个犹如磨盘的系统里，所以他猜测我们处在一个盘子当中，这个盘子就是宇宙。

不仅如此，赫歇尔还计算了这个盘子有多大，他当时的计算方法是这样的。他首先假设宇宙中所有星星的亮度都是一样的，我们之所以看到有些星星暗，完全是因为他离我们远造成的，这个假设很明显是错误的，不过当时的知识储备就这样了。

然后他以天狼星的亮度和距离为标准，利用光强和距离成反比这一关系，这里我解释一下，假如两颗星星的亮度是一样的，如果一颗星星和我们的距离是另外一颗的两倍，那么他看起来的亮度就是另外一颗星星亮度的1/4。

那么以天狼星的亮度为标准，我们在宇宙中找那个看起来最暗的恒星，看它的亮度是天狼星亮度的多少分之一，我们就能知道它和我们的距离是天狼星的多少倍。

关键的问题是，我们并不知道天狼星和我们的距离，所以赫歇尔又假设出来一个基本单位：天狼星米，所以根据它的测量，这个盘子的大小为1000个天狼星米，厚度为100个天狼星米。现在我们知道天狼星的距离为8光年，那么赫歇尔当时测出来的银河系直径为8000光年。很明显错的离谱，但是这一数字在当时可算是震惊四座，让我们首次对宇宙的大小有了一个直观的感受。

除此之外，赫歇尔还利用这个庞然大物在天空中发现了大量的星云，短短2年的时间就将梅西耶星表中的对象扩充到了2500多个。这只能说明望远镜的口径大了真的是好，当年梅西耶发现103个深空天体用了几十年的功夫。这就是差距。

现在我们常看到的深空天体的编号除了有M开头的，还有NGC开头的，这是深空天体的新总表，里面包含了7000多个星团、星系和星云，是1880年代人们在赫歇尔观测的基础上汇总的新星表。

在最初天文学的发展中，你会发现这样的现象，只要望远镜的口径不断地变大，就会有更多的发现，当然也就推动了天文学的发展，所以到了1845年，在爱尔兰有一户财主，他是第三任罗斯勋爵，名叫帕森斯，就斥巨资建造了维多利亚时代最牛得望远镜。

口径达到了1.8米，整个建筑看起来像一门超级大炮一样，这个记录一直保持到了1917年，才被威尔逊山上2.5米口径的胡克望远镜超越。

帕森斯通过自己的望远镜这时才分辨出星云的不同细节，他就看到了有些模糊的星云其实就是星团，有些星团密度小，有些星团密度大，现在我们知道他们是疏散星团和球状星团。

当然他也看到了行星状星云和超新星遗迹，也看到了恒星形成区域显示出来的色彩。当然他也看到了一些星云是椭圆形的怪物，无法分辨出其中的结构和单颗恒星，现在我们知道这是椭圆星系。

还有一类星云，能够分辨出它具有螺旋状的结构，当时帕森斯就手绘了一幅图，这是M51星系，这是人类第一次看到星系的螺旋结构。

你可能会想为什么最先看到的是M51，而不是离我们最近的仙女座星系，因为M51的盘面正好正对我们，所以很容易能看到他的螺旋结构，而M31在我们视线方向有点侧对着我们，不容易看到。

在19世纪末期，天文学还有一个不得不说的巨大成就，业余天文学家罗伯茨将照相技术和天文望远镜结合在了一起，从此人类进入了天文摄影时代。这是一个巨大的进步，以前的天文学家必须守在望远镜跟前靠肉眼观测，然后手绘看到的景象。有了照相技术，不仅能够长时间曝光捕捉更多的光子，看到更微弱的天体，而且获得的景象更加的真实，当然也让天文观测变得轻松了许多。

现在看到的这张照片就是1888年，罗伯茨拍摄的M31星系，这是人类拍摄到的第一张星系照片。

可当时人们并不知道这就是星系，只看到了他有螺旋结构，以为他是“原恒星”，也就是恒星形成的早期阶段。所以关于它到底是啥，在20世纪20年代人们还进行了一场大辩论。这是我们下节课的内容。

好，下面我们继续说人们对银河系的了解。1917年在卡内基基因会的支持下，美国加州理工大学在威尔逊山上建造了一台口径为2.5米超级望远镜，并且在这之后的30年间，一直保持这最大望远镜的记录。

它相对于帕森斯的望远镜来说，不仅口径大，而且镜面要好得多，它用的是镀银玻璃，而不是以前的铜锡合金打磨出来的镜面，而且胡克望远镜建山上，大气的扰动很小，在加上美国的天气要比英国的好得多，所以胡克望远镜真正是打开了人们的视野。

在第一批使用胡克望远镜的天文学家中有一个人叫沙普利，他通过研究球状星团就发现，球状星团的分布不均匀，大部分聚集在人马座方向，前面我们说了，赫歇尔认为我们处在一个盘子中，但没有说我们具体处在盘子的哪个位置。

那么沙普利的发现就说明我们没有处在盘子的中心，因为如果我们处在中心的话，我们会看到在各个方向球状星团的分布应该是均匀的。但事实上，球状星团在一个方向比较密集。所以我们处在这个盘子的边缘。

随后沙普利通过测量球状星团的距离，再次刷新了我们对宇宙大小的认识，当时他测出来的距离是这样的。银河系直径20光年，厚度为3万光年，我们距离银河系中心为5万光年。

我知道，你马上会问，他是如何测量距离的？这就要说到人类认识宇宙最重要的工具了量天尺，以前我们介绍过视差法，但他不适合远距离的天体，因为越远视差越小。

但是到了20世纪初人们又发现了一种可以测量恒星距离的办法，造父变星。这是一种亮度随着时间周期性变化的恒星。

最早发现这个现象的人是1784年荷兰的一位业余天文学家古德利克，他发现的第一颗亮度周期性变化的恒星是仙王座δ星，中文叫造父一，所以我们将这种变星统称为造父变星。

一直以来我们认为这种亮度变化的恒星很少，因为几百年间我们就发现了那么十几颗恒星的亮度会周期性的变化，也就是变光周期，说的是，一颗恒星亮度从最高，到最暗，再回到最高所需要的时间，这个周期最短几个小时，最长需要几年的时间。

但随着天文照相技术的发展，我们就可以比对一颗恒星在几天、几周、甚至几个月、几年亮度的变化，所以我们这才认识到变星其实非常的普遍。

那么真正把变星当作标准烛光使用的想法，来自于19世纪的一位年轻的女性，他是天文学界最伟大一批女天文学家，他叫勒维特，1868年出生在美国。1893年进入了哈弗天文台，在往后的20年间，他统计发现了将近1000多颗变星。

并且发现这样的规律，恒星的变光周期越长，其平均亮度越大，这里的亮度说的都是视亮度，也就是看起来有多亮，如果我们利用视差法测量出这些变星和我们的距离，我们就能够知道这些变星的本征亮度，也就是实际上它有多亮。

通过大量的总结，归纳，我们就能够掌握这样一个重要的信息。只要我们测量一颗变星的变光周期，我们就能知道它的平均本征亮度。

在通过测量它的视亮度，根据亮度会随着距离的平方发生衰减这个关系，就能算出这颗变星和我们的距离了。

这就是天文学中使用比较广泛的造父变星测距法。沙普利正是通过造父变星测量了星团和我们的距离，得出银河系的直径。

那为啥他测量的值和今天的10万光年差了那么多呢？因为他当时没有考虑弥散在银河系内的尘埃、或者气体等等这些消光物质，导致了他看到的视亮度低了很多，所以他算出来的距离就远了很多。

但不管怎么说，沙普利的测量早一次刷新了我们对宇宙大小的认识。好了今天的内容就到这里，下节课我们说天文学最重要的一次辩论。