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本系列的单行本《寻找太阳系的疆界》已于2009 年 11 月由清华大学出版社出版,节略版曾在 2007-2008 年的《中学生天地》杂志上连载。

卢昌海老师的微博:http://weibo.com/ChanghaiNews,个人网站:http://www.changhai.org/。

前文回顾《寻找太阳系的疆界》连载

二五.农家少年

罗威尔虽然去世了,但他为自己的未竟事业留下了一份最宝贵的遗产,那就是罗威尔天文台。他并且还在遗嘱中留出了超过一百万美元作为天文台的运作经费,这在当时是一个巨大的数目。可惜的是,第一次世界大战的爆发彻底终止了象寻找新行星那样的“小资”活动。更糟糕的是,罗威尔的遗孀因不满财产分配而发起了一场诉讼官司,这场官司不仅阻碍了天文台的运作,而且耗去了罗威尔留给天文台的那笔经费的很大一部分。经历了这些波劫的天文台直到1927年才重回正轨,可经费却已变得拮据。这时候,罗威尔那位担任哈佛校长的哥哥施出了援助之手,向天文台捐赠了一万美元。在此基础上,天文台开始装备一台口径13英寸的照相反射望远镜。

不过世事变迁对罗威尔天文台的影响不仅体现在财务上,也涉及到了学术。当时罗威尔的多数工作(比如对火星运河的观测)已被天文学界判定为是毫无价值的,而大半个世纪以来有关新行星的天女散花般的“预言”也早已信誉扫地。天文台是否还要继承“罗威尔道路”呢?罗威尔生前从事的寻找新行星的工作是否还要继续呢?这是罗威尔天文台面临的一个新的十字路口。在这个路口上,天文台的资深天文学家们大都作出了与当年那些错过了海王星的天文学家们一样的选择,即用其它任务填满自己的工作日程,不再抽时间从事新行星的搜索。对于一般的天文台来说,这应该就是新行星故事的终结了。不过罗威尔天文台终究不是一般的天文台,它并未完全忘记创始人罗威尔的心愿。虽然不可能再以新行星搜索为工作重心,但它当时的托管人-罗威尔的外甥普特南(RogerPutnam)-决定招募一名观测助理来从事新行星的搜索。

说来也巧,恰好就在这时,一封来自坎萨斯州(Kansas)的求职信寄到了天文台,求职者是一位22岁的农家少年。

这位少年名叫汤博(ClydeTombaugh),1906年2月4日出生在伊利诺伊州(Illinois),16岁时随父母迁居到坎萨斯州。受他叔叔的影响,汤博从小喜爱天文。由于家境贫寒,加上父母又不懂计划生育(共生育了六个小孩),汤博中学毕业后只能辍学在家。他白天帮家里干农活,晚上则沉醉于观测无穷无尽的星空。由于没钱购买合适的望远镜,汤博用废弃的船舱玻璃、木板及农机零件,自己动手制作了口径为7英寸和9英寸的望远镜。

【美国天文学家汤博(1906 – 1997)】

如果不是1928年的一场突如其来的冰雹,汤博的一生也许就这样静静地在农庄里度过了。那一年,汤博家的庄稼长势极好,却在收获季节来临之前毁于冰雹。这场变故让汤博觉得应该找一个更可靠的职业来资助家里。于是他向当时自己知道的唯一一个天文台-罗威尔天文台-发去了求职信,并在信中附上了自己的一些笔记和图片。

一位务农在家、且只有中学学历的小伙子能引起罗威尔天文台的注意吗?很幸运,答案是肯定的。汤博在求职信中所附的笔记和图片给罗威尔天文台的台长斯莱弗(VestoSlipher)留下了很好的印象。他制作望远镜的手艺也正是罗威尔天文台所需要的,因为天文台的13英寸照相反射望远镜当时正在装配之中。甚至连他的务农经历对斯莱弗来说也显得很亲切,因为斯莱弗本人及天文台的另外两位资深天文学家小时候都有过类似的经历。

1929年1月,汤博乘坐了整整28小时的长途火车抵达罗威尔天文台,成为了天文台的一名观测助理。不久之后,在他的参与下,天文台的13英寸照相反射望远镜完成了装配及调试工作。

1929年4月,年轻的汤博正式走上了寻找海外行星的征途。

与发现天王星及海王星的时代相比,天文观测的手段-尤其是对暗淡天体的观测手段-已经有了很大的改善。早期的观测需要观测者对天体坐标进行手工记录,这对于观测暗淡天体来说是极为不利的。因为夜空中越是暗淡的天体数量就越多,当所要观测的天体暗淡到一定程度时,需要排查的天体数量就会多到让手工记录成为不可承受之重。为了解决这一问题,天文学家们将照相技术引进到了天文观测之中。这样,手工纪录的天体坐标就由相片所替代,而原先需要通过核对坐标来做的寻找新行星的工作,则可以通过对不同时间摄于同一天区的相片进行对比来实现。

罗威尔当年采用的就是这样的方法。这种方法免除了对天体坐标进行手工纪录的麻烦,但却并不意味着天文观测从此变得轻松了。事实上,在所要寻找的天体足够暗淡时,即便这样的方法也充满了困难。因为一张相片往往会包含几万甚至几十万个星体,对比排查的任务极其艰巨,几乎达到了肉眼不可能胜任的程度。而且需要对比的星体越多,就越容易因疏忽而丢失目标。为此,天文学家们又采用了一种新的仪器,叫做闪视比较仪(blinkcomparator)。这种仪器的工作原理很简单,就是将需要对比的相片彼此叠合、快速切换。显然,位置或亮度发生过变化的天体将会在相片的切换过程中显示出跳跃或闪烁,从而变得很显眼。更有利的是,闪视比较仪还可以与光学放大系统结合在一起,进一步提高分辨率。有鉴于此,罗威尔天文台的天文学家们早在罗威尔还在世时,就曾多次建议罗威尔购买闪视比较仪,并在1911年罗威尔的生日派对上成功说服了罗威尔。

【罗威尔天文台的闪视比较仪 图片出处:维基百科】

不过闪视比较仪的想法虽然高明,真正使用起来却仍不是一件容易的事情,因为对同一天区的两张相片只有在拍摄角度、曝光强度、胶卷冲洗等方面都保持高度的一致,才能获得良好的闪视比较效果。否则的话,连那些背景天体也会因为相片本身的人为差异而显示出变化。为了获得最佳的对比效果,汤博细心归纳了在不同天气条件下所需的曝光时间,并选出了一些明亮天体作为校正角度的参照点。他对每个天区都进行三次拍摄,以便从中选出两张最接近的相片进行对比。

二六.寒夜暗影

汤博的搜索工作从接近罗威尔预言的巨蟹座开始。起初他只负责拍摄,闪视比较的工作则交由另一位天文学家进行。1929年4月11日,汤博的搜索工作刚刚进入第五天,就成功地拍摄到了新行星的倩影。十九天后,他在对同一天区进行拍摄时再次将新行星摄入了相片。可惜的是,4月11日的照相胶片因天气寒冷而产生了裂缝,并且纪录本身也因太接近地平线而受到了大气折射的干扰,进一步影响了质量。负责闪视比较的天文学家没能从数以万计的天体中发现这组纪录,从而错过了一次可能的发现。这是继罗威尔时代的两次影像之后,新行星又一次躲过了罗威尔天文台的搜索。

几个月后,负责闪视比较的天文学家越来越忙于其它工作,很难抽出时间从事闪视比较,汤博便决定将这项工作接到自己手上。自那以后,他每个月用一半的时间从事观测,另一半的时间用来做闪视比较。由于相片上的天体实在太多[注一],为避免数量压倒质量,汤博将每张相片都分割成很多小块,每块包含几百个天体。显然,这是一项高度重复,并且极其枯燥的工作。一般来说,检查几平方英寸的相片就会花去一整天的时间。当然,要说其中一点兴奋的东西也没有,那倒也不是,时不时地汤博会看到一些变动的天体。不过,这时可不能高兴得太早,因为有很多鱼目混珠的天体会让人误以为找到了目标。事实上,汤博在每组相片中都会看到几十个那样的天体。可惜它们要么是变星[注二],要么是小行星、彗星或已知的行星,却没有一颗是新行星。这种“狼来了”的虚假天体见得多了,非但不能再带来兴奋,反而容易使人产生麻痹心理。但汤博始终保持着高度的敏锐和冷静,既不放过半点可疑的东西,也从未作出过任何错误的宣告。

又过了几个月,一无所获的汤博决定不再以罗威尔的预言为参考,毕竟他老人家的“预言”就象火星运河一样,口碑并不高,再紧盯下去有在一颗树上吊死的危险。作出了这一决定后,汤博将搜索范围扩大到了整个黄道面的附近,他的这一决定终结了罗威尔的预言对他搜索工作的帮助,因为这时的他已经走上了类似于巡天观测的道路。

1929年在繁忙的观测中悄然逝去,汤博在亚里桑那州寒冷高原的观测室里几乎沿黄道面搜索了一整圈。1930年1月,他的望远镜重新转回到了最初搜索过的天区。唯一不同的是,上一次是别人在帮他做闪视比较,而现在却是他本人在做。

1月21日,那个九个多月前曾经落网,却在闪视比较时从网眼里溜走的暗淡天体再次出现在了汤博的相片上-当然,这时候虽然“天知地知”,汤博本人却还不知道。1月23日和29日,在高原寒夜的极佳观测条件下,汤博完成了对这一天区的第二和第三次拍摄。

2月15日,汤博开始检查后两次拍摄的相片。还是老办法,先分割,然后一片一片地进行闪视比较。2月18日下午4时,他在对比以双子座δ星为中心的一小片天区的相片时,发现了一个亮度只有15等的移动星体。

就象曾经无数次重复过的那样,汤博对这一天体进行了仔细的查验。45分钟之后,除新行星外的其它可能性逐一得到了排除,兴奋不已的汤博找到资深天文学家兰普朗德(CarlLampland),告诉他自己终于找到了新行星。已在罗威尔天文台工作了28年的兰普朗德幽默地回答说他早已知道了,因为他注意到了一直忙碌着的闪视比较仪的声音突然停止,并变成了长时间的静寂。小伙子一定是发现了什么。

很快,天文台的几位资深天文学家与汤博一起冲进工作室,开始紧张的复查。经初步确认后,斯莱弗台长决定对这一天体先进行一段时间的跟踪观测,然后再对外公布。斯莱弗的这个决定既是出于谨慎,也暗藏着一些私心,因为他想利用这段时间积累观测数据,以便在接下来的新行星轨道计算中夺得先机。

在接下来的一个月的时间里,在天气许可的每一个夜晚,所有其它工作通通被抛到了爪洼国,罗威尔天文台把全部的观测力量都投入到了对新天体的观测之中。这时候,再没有什么任务能比曾被当成鸡肋的新行星观测更重要了。

1930年3月13日,罗威尔天文台正式对外宣布了发现新行星的消息。这一天是罗威尔诞辰75周年的日子。149年前,也正是在这一天,赫歇耳发现了天王星。

【发现冥王星所用的望远镜】

不久之后,罗威尔天文台的天文学家投票从来自全世界的候选名字中选出了新行星的名字:普卢托(Pluto),它是罗马神话中的地狱之神。说起来令人难以置信,首先提议这一名称的竟是英国牛津的一位年仅11岁的小女孩,她曾经学过经典神话故事并且很感兴趣,于是就提议用地狱之神命名这颗离太阳最远,从而最寒冷的新行星[注三]。在中文中,这一行星被称为冥王星。

冥王星的发现让崛起中的美国科学界欣喜不已,在欧洲天文界垄断重大天文发现这么多年之后,幸运之神终于溜跶到了美利坚,一些美国媒体兴奋地将新行星称为“美国行星”。但当时也许谁也不会想到,这个以地狱之神命名的新天体在天堂里待了七十六年之后,竟会从行星宝座上跌落下来,堕回“地狱”。

【哈勃望远镜拍摄的冥王星】

读者们也许还记得,汤博对冥王星的搜索,是从接近罗威尔预言的位置开始的,他曾经记录过冥王星的位置,只是未被认出。而当他正式发现冥王星的时候,他在黄道面附近完成了一整圈的搜索,又重新回到了起始时的天区。这表明冥王星的位置距离罗威尔的预言并不远。事实上,冥王星被发现时的位置与罗威尔1914年所预言的行星X在1930年初的位置只相差6°[注四],这虽不象海王星的预言那么漂亮,却也不算太差。继海王星之后,天体力学似乎又一次铸造了辉煌。发现新行星的消息被宣布后的第二天,哈佛学院天文台台长沙普利(HarlowShapley)在费城的一次小范围演讲被临时换到了一个大场地,因为他决定在演讲中加入有关新行星的消息。那一天,数以千计的听众挤满了演讲大厅。当久违了的罗威尔相片出现在投影仪上时,全场响起了雷鸣般的掌声。听众们用发自内心的掌声向这位已故的天文学家致敬。此情此景,因研究火星运河而遭冷遇的罗威尔若泉下有知,也当含笑了。

但是,冥王星的发现果真是继海王星之后天体力学的又一次伟大胜利吗?

注释

  1. 汤博的每张相片平均约包含十六万个天体,往银河系中心方向拍摄的相片上则有多达一百万个天体。
  2. 变星通常显示为亮度变化的天体,与移动天体明显不同。但有些变星在亮度变小后会因为比相片所能纪录的最暗淡的天体还要暗,而从相片中消失,这样的变星在闪视比较时很象是一颗移出(或移入)相片范围的移动天体。
  3. 普卢托(Pluto)这位地狱之神还被用于命名1934年发现的第94号元素钚(plutonium)。1945年8月9日,用这一元素制作的原子弹将日本城市长崎带入了地狱。
  4. 冥王星被发现时的位置距皮克林1928年修正后的行星O的位置也只差6°左右,不过皮克林的计算信誉太低,很少有人当真。

二零零八年三月三十日写于纽约
二零零八年六月二日发表于本站
二零零九年七月二十三日最新修订

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本文授权转载于卢昌海老师的个人博客,欲再转载者请联系原作者

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12 Responses to “寻找太阳系的疆界(十三)”

  1. 张墨存说道:

    好!

  2. 土豆地瓜说道:

    最后一张图怎么像草图画质的3D建模软件的球体?

  3. 拼音佳佳说道:

    大家来找茬什么的,都是天文学家玩剩下的...

    • Illusiwind说道:

      想一块去了。与其叫对比排查,不如叫大家来找茬……

  4. 陈杰说道:

    我仍然坚持冥王星是一个大行星。当然,我这里没有大行星的属性定义,只有枚举定义:水金地火木土天海冥是大行星。枚举也是一种常见的定义方法,自然数就是这样定义的。我认为大行星是一种地标,它根本不需要严格的科学定义。

    • hopeful说道:

      自然数使用自然数公理(归纳法)定义的,不是枚举的。
      至于“大行星”这个概念,如果你想,当然可以随便枚举。
      不过,把土豆枚举成水果总不太好吧。。。

  5. hopeful说道:

    注释3后半句有关原子弹的内容是不是顺手写上去了?感觉略有突兀(或许是冷幽默吧。。。。)

  6. Aaron J说道:

    好文啊

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