《人類科學(xué)技術(shù)史-284》近代后期天文學(xué)

近代后期天文學(xué)
1.19世紀(jì)天文望遠(yuǎn)鏡的進(jìn)步

天文望遠(yuǎn)鏡的不斷進(jìn)步對天文學(xué)的發(fā)展起著有力的推動作用。在17世紀(jì)，色差曾對天文望遠(yuǎn)鏡的成象產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響，后來牛頓指出望遠(yuǎn)鏡的色差是由于透鏡對不同色光有不同折射率的緣故，他利用反射光原理制造出第一臺全金屬反射望遠(yuǎn)鏡，從根本上消除了色差。

反射式望遠(yuǎn)鏡在18世紀(jì)發(fā)展很快。1781年，W.赫歇爾(1738-1822年，英國）曾用一臺直徑15cm自制反射天文望遠(yuǎn)鏡首次觀測到天王星。這使他大受鼓舞，接連磨制出口徑不斷增大的反射望遠(yuǎn)鏡。1789年，他制成直徑1.22米，焦距12.2米的大型反射式望遠(yuǎn)鏡，投入使用不久便觀測到土星的兩顆衛(wèi)星。這一成就奠定了赫歇爾的近代大型反射式望遠(yuǎn)鏡開創(chuàng)者的地位。

1845年，帕森斯(1800-1867年，英國）制成了直徑達(dá)1.83米的金屬反射式望遠(yuǎn)鏡，鏡筒長度達(dá)到17米，它架在南北走向的兩堵高墻之間，只能在東西方向上略作調(diào)整。利用這臺望遠(yuǎn)鏡在觀測星云M51時，首次發(fā)現(xiàn)了旋渦結(jié)構(gòu)，后來又發(fā)現(xiàn)了幾個類似的結(jié)構(gòu)。后來帕森斯在觀測M1星云時發(fā)現(xiàn)它的形狀象一只螃蟹，便定名為"蟹狀星云"。為了使大型望遠(yuǎn)鏡能夠靈巧地運(yùn)動，以便適應(yīng)觀測的需要，工程師納史密斯(1808-1890年，英國）和天文學(xué)家拉塞爾(1799-1880年，英國）對大型望遠(yuǎn)鏡作了大量改進(jìn)。1839年，納史密斯設(shè)計了一種轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)，使觀察者只要坐在目鏡旁邊，轉(zhuǎn)動手輪就能自由調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡的位置和角度，從而觀察到天空的任意部分。

1846年，拉塞爾首創(chuàng)赤道式大型反射望遠(yuǎn)鏡，直徑為61厘米，配備了跟蹤天體周日視運(yùn)動的機(jī)械裝置，他用這臺望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了海衛(wèi)1.1851年，他又相繼發(fā)現(xiàn)天衛(wèi)1和天衛(wèi)2.1861年，他又研制了一臺更大的赤道式反射望遠(yuǎn)鏡，直徑達(dá)到1.22米。

折射天文望遠(yuǎn)鏡在消除色差方面也取得了重要突破。1730年，數(shù)學(xué)家C.M.霍爾(1703-1771年，英國）發(fā)現(xiàn)，用冕牌玻璃做凸透鏡和火石玻璃做的凹透鏡構(gòu)成透鏡組可以消除色差。后來光學(xué)家多朗德(1706-1761年）詳細(xì)研究了消色差理論。由于當(dāng)時無法制造直徑大于十幾厘米的大塊優(yōu)質(zhì)玻璃，因而限制了消色差折射望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展。

19世紀(jì)初，吉南德(1748-1824年，瑞士）利用勻均擾動玻璃液的方法制成了大直徑的優(yōu)質(zhì)玻璃。在此基礎(chǔ)上光學(xué)家夫瑯和費(fèi)(1787-1826年，德國）與他合作，共同制成一架消色差折射望遠(yuǎn)鏡，直徑達(dá)到24厘米，焦距4米。這臺望遠(yuǎn)鏡也是赤道式的，配有跟蹤裝置。1847年，德國的默茨等人發(fā)展了這一技術(shù)，他們研制出直徑達(dá)到38厘米的消色差折射望遠(yuǎn)鏡。這樣，在19世紀(jì)不僅有大型的金屬反射望遠(yuǎn)鏡，還有了大型消色差折射望遠(yuǎn)鏡，從而大大推進(jìn)了天文學(xué)的發(fā)展。

2.恒星研究和宇宙構(gòu)造學(xué)說

恒星觀測和研究始于哈雷，他在18世紀(jì)比較了喜帕恰斯、第谷等人列出的星表座標(biāo)，發(fā)現(xiàn)在長約19個世紀(jì)里，天狼星、南海3和大角這三顆恒星的位置有明顯的移動，于是斷定恒星在宇宙中存在真實的運(yùn)動。

18世紀(jì)末，W.赫歇爾發(fā)現(xiàn)太陽也在運(yùn)動，他說："我想我們無權(quán)說太陽是靜止的，正如我們不應(yīng)該否定地球的周日運(yùn)動那樣。"但19世紀(jì)初有人對此產(chǎn)生了懷疑。1837年，阿格朗德爾(1799-1875年，德國）研究了390顆恒星的自行現(xiàn)象，結(jié)果證實了太陽在運(yùn)動的結(jié)論。

還在18世紀(jì)天文學(xué)家們就在思考：既然太陽與恒星相仿，那么恒星是否組成了一個更大的天體系統(tǒng)呢？1750年，賴特(1711-1786年，英國）提出銀河與所有恒星構(gòu)成天體系統(tǒng)的假說。此后，哲學(xué)家康德和數(shù)學(xué)家拉普拉斯等人又提出過進(jìn)一步的星云假說。

杰出的天文學(xué)家赫歇爾一家，通過長期觀測研究最先驗證了天體的銀河系假說。赫歇爾自制了一架直徑46厘米的反射望遠(yuǎn)鏡，他細(xì)致地觀測了事先選定的天區(qū)，一一找到并數(shù)出區(qū)道中的星數(shù)、亮星與暗星的比例。這種方法現(xiàn)在叫統(tǒng)計取樣方法。他發(fā)現(xiàn)銀河附近比起遠(yuǎn)離銀河的地方恒星數(shù)目更加稠密，暗星數(shù)增加更快。他共數(shù)了683個取樣天區(qū)中的117600顆恒星，繪出了一幅銀河系結(jié)構(gòu)圖，這幅圖中銀河系形狀扁平，輪廓稍模糊，太陽居中。W.赫歇爾開創(chuàng)了用統(tǒng)計取樣方法研究銀河系結(jié)構(gòu)；用統(tǒng)計恒星自行方向研究太陽運(yùn)動；以及對雙星、星團(tuán)、星云的觀測。他開創(chuàng)了恒星天文學(xué)分支，因此被尊稱為"恒星天文學(xué)之父"。卡羅林.赫歇爾(1750-1848年，英國）是W.赫歇爾的妹妹。她終生協(xié)助哥哥工作，獨(dú)自發(fā)現(xiàn)了14個星云和18顆彗星。晚年整理了W.赫歇爾遺留下的大批觀測資料，于1828年出版了當(dāng)時篇輻最大、最具權(quán)威性的星團(tuán)、星云表。

J.赫歇爾(1792-1871年，英國）是W赫歇爾的獨(dú)子。1820年，他曾受父親委托參與創(chuàng)建英國皇家天文學(xué)會的工作。他的天文研究側(cè)重在對雙星、星團(tuán)和星云觀測，并核查了他父親的觀測結(jié)果，這使他發(fā)現(xiàn)了347對雙星。

1833年，他刊布了一本包括2307個星團(tuán)和星云的表。他還提出過一種確定雙星軌道運(yùn)動的圖解方法。1833年，他在非洲好望角建立了天文觀測站，從1834至1837年他共觀測雙星2102對，星云和星團(tuán)1707個。在南半球的天文觀測中他運(yùn)用了取樣統(tǒng)計方法，共統(tǒng)計了3000個選區(qū)中的68948顆恒星，完全證實了上述銀河系結(jié)構(gòu)的論斷。1838年以后，他專事天文資料的整理和出版。1849年出版了《天文學(xué)綱要》，此書于1859年在中國翻譯出版，書名叫《談天》。

由于赫歇爾一家人的成就，使銀河系概念在19世紀(jì)中葉得以確立。

自哥白尼以來，人們長期尋求三角視差的測定，以便確定恒星到地球的距離。這一工作因天文儀器的進(jìn)步終于在19世紀(jì)30年代取得了成果。

貝塞爾(1784-1846年，德國）任柯尼斯天文臺臺長期間，長期從事恒星位置的精密觀測。他主編了著名的《波恩巡天星表》。1837年，他認(rèn)為研究恒星視差問題的條件已經(jīng)成熟，決定選擇天鵝座61號星為觀測對象。1838年，他宣布天鵝座61號星的視差是0″。31，由此推算該星座距地球為11光年。同一時期，斯特魯維(1794-1864年，俄國）選擇織女星為觀測對象從事視差測定研究。1837年，他向彼得堡科學(xué)院報告織女星視差測量結(jié)果是0″。125±0″。065，計算出織女星距地球27光年，此外他還將精密的測量方法引入到雙星觀測中，共發(fā)現(xiàn)220對新的雙星。1839年，亨德森(1789-1844年，英國）在好望角測出人馬座α星的視差是0″。91，但這個值并不準(zhǔn)確，后來經(jīng)別人修正為0″。76，距地球4.3光年。此后，類似的測量結(jié)果不斷有報道。19世紀(jì)共測出70顆恒星對地球的視差和距離。