《人类科学技术史-286》天体物理学的创立及成就

天体物理学的创立及成就

望远镜对天文学的发展作出过巨大的贡献，但望远镜存在一定局限，它不能了解天体的化学组成，物理状态等。19世纪初，刚刚发展起来的分光学、光度学和照相术开始应用于天文学，使天文学取得了一系列重大成就。这样在19世纪下半叶新兴的天体物理学创立了。光谱学发端于牛顿的三棱镜分光实验。1814年光学家夫琅和费(1787-1826年，德国）将望远镜、三棱镜和直光管组成一个系统，命名叫分光镜。该系统由于用多个棱镜偏折光线，因此使色散度增大可以精确测出各种色光谱线的位置。他发现太阳光谱不是连续变化的，其中暗线多达576条，他用A、B、C、D(D1与D2）、E、F、G、H标志出最明晰的8条暗线，后人称做"夫琅和费"线。尽管他不能深入解释这些暗线的意义，但他肯定这些暗线是由日光自身决定的。后来夫琅和费又用分光镜研究月亮、行星及恒星发出的光谱，结果表明这些天体的光谱同样存在暗线。夫琅和费被公认是天体物理学的创始者。

化学家本生(1811-1899年，德国）和物理学家基尔霍夫(1824-1877年，德国）揭示出光谱暗线的本质。他们将食盐撒在火焰上，通过分光镜可以看到二条黄色亮线，其位置正好落在太阳光谱的D1和D2暗线上，于是他们让太阳光和钠光混合，投在分光镜上，出人意料的是D1、D2暗线并没有因此亮起来，反而更暗了。用另一种有连续光谱的光源代替日光重复上述实验，结果在连续光谱上出现了D1、D2暗线，他们由此想到太阳中心发出的连续光谱一定被太阳表面的钠蒸气把黄色光吸收了，结果在地球上观察到的太阳光谱就形成了D1、D2暗线。

基尔霍夫通过深入研究发现了分光学的基本定律：①每一个化学元素都有一种特殊的发射光谱；②每一种元素可以吸收它能够发射的光谱线，这叫自蚀式自变现象。他和本生在研究了各种元素的光谱并和太阳光谱的夫琅和费线作了对比之后，宣布太阳大气中存在铁、钠、钙、镍等元素，但没有锂。

1861年，布儒斯特指出落日时的太阳光谱的暗线受到地球大气的干扰。4年后詹森(1824-1907年，法国）进一步证明大气中的吸收谱线是由氧和水汽形成的。1866年，洛基尔(1836-1920年，英国）利用分光镜研究黑子，他发现黑子的光谱吸收暗线远比太阳其它地区的吸收暗线多。1869年，埃格斯特(1814-1874年，瑞典）首次测出了1000多条太阳光谱线的波长，并以他的姓名的第一个字母人作为波长单位的名称(埃）。

太阳光谱学的研究推动了人们对太阳的研究。18世纪末，W.赫歇尔还假定太阳是一个冷的固体，其上有生物和居民。但是光谱分析证明太阳大气中有金属气体存在，足见温度很高，不适合任何生物生存。1865年，法伊(1814-1902年，法国）提出了新的太阳理论，他假定太阳是一个高温气团，热量自太阳内部辐射出来，太阳内部的物质也随之上升至太阳表面，在那里重新聚集又回到太阳的内部，这种对流构成了太阳物质的循环运动。这一理论延续至本世纪才为新的太阳理论取代。

1868年8月18日，在日全食观测中使用了分光镜。其中对日珥作的光谱观测研究表明日珥是太阳大气的一部分，是太阳部分物质爆发时形成的特殊现象。参加这次观测的詹森在日珥的光谱中发现一条未知的谱线DS，位置与钠的D线很接近。次年，洛基尔(1836-1920年，英国）在日全食观测中又见到这条暗线，他确认这条谱线证明太阳中有一种特有的元素，定名为氦。

1895年，拉姆赛在一种结晶铀矿中找到一种气体，结果证明地球上也存在氦。

在研究太阳光谱的同时，有人开始研究彗星的光谱，发现它是相隔为三段的光谱色带。这说明彗星是一个发光体，不象行星那样仅仅反射阳光。哈金斯(1824-1910年，英国）进而证明彗星的三段光谱带与碳氢化合物光谱中的三段光带相合。后来他发现流星的光谱也与此类似，哈金斯的工作是比较深入的，他观察过彗星的紫外光谱和由彗星反射的太阳光谱。

人们在研究中还发现连续光谱和发光体表面温度存在关联，通常当发光体温度升高，其辐射能量的最大值向光谱的紫端偏移。恒星吸收光谱也与恒星温度有关。塞奇(1818-1878年，意大利）自1863年起用低色度的摄谱仪观测恒星光谱，他把恒星分为白色星、黄色星、橙色星、红色星和暗红色星。80年代以后，天文学家们才根据光谱，把恒星划分为不同温度类型的星。

1842年，物理学家多普勒(1803-1853年，意大利）指出，当波源与观察者相对运动时，将观察到波源的频率发生变化；当光源离去时，它发出的声或光的频率降低，或波长变长。人们很自然会想到在天体观测中也会产生"多普勒效应"：如果星球向地球而来，其光谱必向紫色一端移动；反之，则会向红色一端移动。1868年，哈金斯观察到天狼星吸收谱线向红端移动，他计算出天狼星以约每秒34.5公里的速度远离地球而去。从此，利用多普勒效应观测天体，解决了许多重大的天体物理问题，对现代天文学的诞生产生了深远影响。

光度学的发展与应用是19世纪天体物理学的另一个方面。18世纪中叶，兰伯特(1728-1777年，德国）建立了光度学的基本定律。他研究了光线在透明介质中被吸收的情况，论述过月亮和行星的亮度问题，得到满月时月亮的平均亮度只有太阳的27.7万分之一的结论。

1859年，泽内尔(1834-1882年，瑞典）发明了光度计，使星体亮度测量的准确性大大提高，泽内尔用这一方法测量了星体的亮度，于1861年公布了近代第一个使用光度计测量的星度表。在他之前，普森(1829-1891年，英国）建议按星的亮度分为5个星等，相邻两个星等亮度之比为2.512。他们的工作为恒星光度学奠定了基础。

在照相术发明之前，天文学家们是用手把观察到的星体形貌画在纸上的。

1827年，尼普斯(1765-1833年，法国）制成了第一台照相机，他利用银盐感光的原理制做底片，经过长达8小时的曝光得了第一张风景相片。他的合作者达盖尔(1789-1851年，法国）在1839年发明了一种银版照相术，使用碘化银做感光材料，感光时间缩短到20-30分钟。定影液由天文学家J.赫歇尔建议使用硫代硫酸钠。照相术的成功立即引起天文学家的高度重视，就在当年由J.德雷伯(1811-1882年，美国）把照相机安装在一架口径是7.6厘米的折射望远镜上，望远镜跟踪着月亮并连续曝光20分钟，终于得到了第一张天文相片。

1851年，摄影师斯科特-阿切尔(1813-1857年，美国）发明了珂珞酊湿片法，感光速度比达盖尔法快100倍以上。德拉鲁(1815-1889年，英国）于次年将这一方法用于天文照相，仅曝光30秒就得到一张清晰的月亮照片。1860年，他在西班牙又用此法拍到一张清晰的日珥照片。从此，照相方法在天文观测中得到推广。

1871年，化学家马多克斯(1816-1902年，英国）用明胶代替珂珞酊，发明了干版法。这一方法几经改进在19世纪末使感光速度提高了几千倍，连暗弱的恒星也可以拍照。此外，照相术还用来拍摄恒星的光谱。

由于分光术、测光术和照相术的应用，为研究天体的物理性质和化学组成提供了可能，最终导致天体物理学的诞生。于是天文学由只能研究天体的机械运动发展到研究天体的物理和化学特性，完成了自身的一次飞跃。