從哈勃到哈勃深空場（一）—「男神帶你肉眼看（仙女座）星雲」
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當然了，題目中的這個男神，他不是我
因為題目點進來的朋友
尤其是女性朋友
請不要失望
我還是衷心希望您耐心看下去
前面有精美的圖片和有趣的故事
穿插的知識還是會讓您有所收穫的
本篇是「從哈珀到哈珀超深場」系列的第一篇
本篇文章我們將解決以下問題
1，肉眼可觀測最遠天體是什麼？
2，如何觀測這個天體？
3，1920年世紀大辯論的爭論焦點是什麼？
4，誰解決了這個問題？他是怎樣一個人？
5，造父變星是什麼？
6，燭光測距原理是什麼？
7，天文學家是如何測定星星離我們距離的？
8，世紀大辯論是如何解決的？
壯美而神秘的仙女座星系
來自遙遠的仙女座星系在天文學中的編號為M31，它是一個著名的擁有巨大盤狀結構的旋渦星系，又稱NGC224。仙女座星系距地球254萬光年，是距銀河系最近的大星系（另一個就是三角座大星系）。人們對仙女座星系的觀測由來已久。
世紀大辯論
到了20世紀，許多不同的星雲都以為天文學家所熟知，但其性質尚未完全了解。18世紀的Messier目錄中包含了許多星雲，而19世紀的NGC目錄則包含了數千個星雲。 到20世紀早期，隨著技術爆炸，觀測手段也越來越強大，這些目錄中的一種特定類型的像M31一樣的「螺旋星雲」，引起了很多爭論，因為這些星雲的性質尚未被揭秘。
關於螺旋星雲的爭論的兩個方面與銀河系的大小及其與宇宙整體的相對關係有關。一方面，一些天文學家認為銀河系是整個宇宙的重要組成部分，螺旋星雲只是我們銀河系內的另一種氣體雲。另一方面，一些天文學家認為這些螺旋狀星雲是像銀河系一樣的「島嶼宇宙」，它們只是如此遙遠，以至於它們的恆星沒有被分解為「點光源」，而是被「模糊」在一起，所以它們看起來像一個星雲。這一論點在1920年兩位天文學家之間的辯論中達到高潮。
1920年4月26日，世界上著名的天文學家齊聚華盛頓美國科學院史密森尼學會的自然博物館的大禮堂中，召開一次規模盛大的辯論會，這次辯論掀開了世界天文史嶄新的一頁，所以後來也被稱為世紀大辯論。這次辯論會主要是三個辯題：
1，銀河繫到底有多大；
2，宇宙和銀河系關係；
3，旋渦星雲到底是什麼；
在當時的物理及天文學界中，這是三個最要命的關鍵問題，人們對這它們的爭論由來已久。在這次辯論中，辯論雙方分別是大名鼎鼎的羅伊德·沙普利（Lloyd S. Shapley）和美國著名天文學家柯蒂斯（Curtis,Heber Doust）。歸根結底，他們辯論的是一個至今仍在困惑我們的問題：宇宙的尺度都多大（The Scale of the Universe）。
與當時絕大多數天文學家的認識相同，柯蒂斯堅信太陽處在接近銀河系中心的地方；而沙普利認為太陽遠離銀河系中心。
沙普利發表論文，通過計算證明銀河系的直徑達到了30萬光年，螺旋狀星雲和仙女座星雲（現在發現，那是一個「大星系」啦）可能是在壓力輻射下從銀河系中驅逐出來的物質，是銀河系中一種星雲形狀的「天體」，相對於銀河系而言它微不足道，而銀河系就是整個宇宙的代表；柯蒂斯認為銀河系直徑只有4萬光年，仙女座星雲距離我們至少有50萬光年，這片星雲根本就不是一個天體，而是一個銀河系以外的像銀河系一樣的獨立的旋渦星系（就像宇宙中的島嶼，這一說法源於德國哲學家康德）。
沙普利和柯蒂斯都引證了大量的觀測數據來佐證，他們各執一詞，針鋒相對，誰也說服不了誰（似乎所有的辯論都是這樣的）。後來這場辯論又稱為沙普利-柯蒂斯世紀大辯論（Shapely-Curtis Debate）。他們的爭論其實代表著當時物理和天文學界兩種主流觀點。
而就在禮堂一角，有一個人靜靜地坐著，嘴裡面吊著一個標誌性的大煙斗，他沒有參與到這場辯論中，只是靜靜地聽著，嘴角泛起了一絲冷笑。誰也沒有想到，就在四年後，這個人將為這場辯論畫上一個圓滿的句號，做一個終極了斷。他的名字叫做埃德溫·哈勃，一個傳奇式的人物。
「美神+菲爾普斯+愛因斯坦」
出生於1889年的哈珀，小愛因斯坦十歲，童年時哈珀由密蘇里州靠近歐扎克高原小鎮（出生地）遷居到芝加哥郊區，他哈珀是一名成功的保險經紀人，像幾乎所有的天文學家一樣哈珀的小時候生活的很富足（天文學家是一個富豪群體，沒有強大的經濟支撐很難維繫天文設備的龐大開支，畢竟天上星星再多也不會掉餡餅）。
哈珀天生一副很好的身板，他聰明過人，英俊瀟洒，魅力四射。據哈珀說有人曾稱讚他美的像美神阿多尼斯，開始我還不信，看到他的照片，我沉默了，你可以拿出年輕時候年輕時候迪卡普里奧的照片對比一下，再對比一下現今風靡的小鮮肉。此外哈珀還常常下水勇救溺水人，更牛X的是就是他聲稱在法國站場上把嚇壞了的士兵帶到安全地帶，曾經在表演賽上幾下子就擊倒了拳擊冠軍，看哈珀的資料就像聽評書似的。或許吧，在哈珀所有的天賦中，吹牛也是其中之一。不過吹牛也是要靠資本的，哈珀在年輕的時候，卻是展示出了極為過人的天賦，他有些真實的精力也讓人們感覺厲害到了有些荒謬的程度。
在1906年的中學田徑運動會上，17歲的哈珀在跳高，鉛球，鐵餅，撐桿，鏈球，立定跳遠，助跑跳高項目中都得到了冠軍，同時還是接力跑冠軍隊的成員，也就是說，在一次運動會上他獲得了七項冠軍，還有一個跳遠的第三名！在同一年他又刷新了伊利諾斯州的跳高記錄。
除了體育，他在文化方面也同樣出眾，哈珀輕輕鬆鬆地考入了當時知名的芝加哥大學攻讀物理和天文，就讀期間，他又入選了首批羅茲獎學金前往牛津大學深造。
良好的家庭，嬌美的容顏，強健的體魄，聰明的大腦。看到這裡，你的心裡是不是有了點絲絲的嫉妒？在您繼續往下看之前，我要聲明一下，這不是杜撰小說。
仙女座掉下了大（造）餡（父）餅（星）
到了1919年，30歲的哈珀移居到加州，在洛杉磯附近的威爾遜天文台找到了一個職位，他擁有世界上最大的望遠鏡，就是這個威爾遜天文台，讓哈珀成為了20世紀最為傑出的天文學家之一。
哈珀一到威爾遜天文台，便以近乎瘋狂的狀態投入到了對仙女座星雲和三角座星雲的觀測中，為什麼是這兩片星雲呢？
因為這是在北半球肉眼可見的僅有的兩片星雲，當然了，它們也是離地球最近的兩片星雲了。
哈珀通過威爾遜天文台大型的胡克望遠鏡對準仙女座星雲拍了很多很多的照片，經歷了不知多少個孤寂又激動的夜晚，終於，他在1923年的十月找到了一顆，它就閃爍在仙女座星系的其中一個螺旋臂上，被稱為造父變星V1。
這顆恆星被稱之為「天文學史上最重要的一顆恆星」。從V1發出的光讓一切疑問都變得徹底明朗了：仙女座星系的確在銀河系之外，也因此，銀河系不再是整個宇宙，它只不過是浩瀚宇宙中眾多星系的一員。
在這裡出現了一個新的名詞：「造父變星」。讓我來解釋一下。
量天尺—造父變星
1784年的英國，有一個年僅20歲的聾啞青年，他沒有藉助任何天文工具，僅憑自己的肉眼發現：英仙座β星是一顆變星，它有2天20小時49分鐘的穩定的光變周期，他把自己的肉眼觀測成果報告給了當時英國天文學會，隨後得到了證實。
他就是古德里克，一個身殘志堅的天文學家，但上帝為他打開了一扇窗，透過這扇窗，古德里克洞悉了宇宙的奧秘。古德里克的觀測結果極為精確，後來順利地成為英國天文學會最年輕的會員。在他去世前的兩年時間裡他又發現了另外兩顆變星：仙王座δ星和天琴座β星。因為仙王座δ星的中國古代星名是造父一，所以漢語中把這類亮度周期變化的星星稱為「造父變星」。
又一位聾啞人
上帝似乎發現，他打開的窗戶不夠多。
真正發現造父變星測距功能的是美國女天文學家李維特，1908年也是一位聾啞人的李維特在分析小麥哲倫星雲中的25顆造父變星的時候，發現了一個有趣的規律：在一個光變周期中的平均亮度（視星）越亮的造父變星，它的脈動周期就越長。反之，越暗的造父變星光變周期就越短。
小麥哲倫星雲本身的大小同它與我們的距離相比，是一個相當小的量，所以這25顆星可以近似看作在相同的距離上。因此，它們的視星等相差多少，也就反映了它們本身的光度（絕對星等）差異。這一關係反映了這類變星的內稟特性，就像強壯的人有強勁而緩慢的脈搏一樣。
造父變星的周光關係看似簡單，實則意義非凡。利用觀測到的造父變星光變周期就可（利用李維特的經驗公式）測定造父變星的絕對亮度值。
標準燭光測距與天體輻射平方反比律
造父變星光變周期是可以測得的（甚至是肉眼就可觀測），利用李維特經驗公式你就可以知道造父變星絕對亮度。然而到現在為止我們還是沒辦法測出仙女座大星系和三角座大星系與我們的距離。不要急，真相不遠了。
想像一下我手握一根亮度（在天文上的專有名詞是本徵亮度，因此我們知道單位時間之內蠟燭發出了多少光）不變的蠟燭（手電筒也可以），現在我拿著蠟燭向黑暗處離你而去，你看到我手中蠟燭的亮度隨我遠去逐漸減弱，問題是你能根據現在看到的燭光亮度（可視亮度）測出我走出多遠嗎？
假設蠟燭（天體）的本身發光亮度（本徵亮度）為Q/ε ，光源均勻發光向四面八方傳播，只有部分光能夠到達我們的眼睛為我們所看到（可視亮度），球的表面積為4πr2（這裡的2表示平方） ，觀察者每單位面積接受到的能量為天體的總亮度除以這個面積，其中r是天體到我們的距離，那那麼我們觀測到的天體亮度為Q/(4πεr2)。也就是說：可視亮度與距離的平方成反比。
測距原理
至此，工具齊備。我們來看看天文學家如何測量星系與我們的距離的。
相對於我們與星系之間的距離，星系本身的大小尺度就小太多了，所以我們可以假設星系中星星的距離就是星系與我們的距離。換句話來說，如果能在星系中找到一顆造父變星，那這個造父變星與我們的距離大體就是這顆造父變星所在星系與我們的距離。
為什麼偏偏是造父變星？
因為造父變星光度是周期變化的，這個周期偏偏又是比較好測量的（有些造父變星甚至用肉眼就可測）。測得這個周期後，利用李維特發現的周光關係就可以計算出造父變星的本徵亮度，再利用「可視亮度與距離的平方成反比」就能夠估算造父變星到我們的距離。
天文學中把用這種方法測得的距離稱為光度距離。造父變星也成為了天文學中的量天尺。利用這個「量天尺」，沙普利曾經測出球狀星團的距離。
那個「餡餅」轟動天文學界
在發現造父變星V1後，哈珀又接連發現了另外33顆造父變星。他用了兩年多的時間，耐心地去繪製這些造父變星的光變周期曲線，從而計算出了仙女座大星雲和三角座大星雲離我們的距離，都是約93萬光年。
儘管在今天看來，93萬光年和實際距離尺度254萬光年相去太遠，但是在當時這個距離比沙普利和柯蒂斯的銀河系觀測距離大了可不是一點點，因此當哈珀在國際天文界公布研究成果時候，立即引起了軒然大波，好在哈珀的數據工作做得極為紮實，所有看過他論文的天文學家基本上都會十分信服。
銀河系（Milky Way）與仙女座大星系（M31）還有三角座大星系（M33）的相對位置，光譜分析顯示，仙女座星系正在以110 km/s的速度靠近銀河系。並在大約38億年後，與銀河系開始合併。在這裡埋個伏筆：我們都知道宇宙是在不斷膨脹甚至暴脹的，為什麼仙女座星系還會靠近銀河系，並與銀河系發生碰撞呢？後幾期文章將為您揭秘。
關於為什麼哈珀的觀測數值相比實際數值如此之大？可能和星際消光物質有關吧。實際上沙普利此前測定銀河系直徑也有不小的誤差，但是關於銀河系尺寸結構的測量還是比較接近實際的。
無疑，哈珀的工作是無與倫比的，但是我們更要感激李維特的工作，正是因為她的發現，我們才得以真正的開始探索宇宙，而不僅限於研究銀河系內的恆星和星雲。
1925年，瑞典科學院的數學家哥斯塔·米塔-列夫勒在得知她的工作後認為她值得獲得諾貝爾獎。他在給李維特的信中寫道：
尊敬的李維特小姐，
我的朋友兼同事烏普薩拉的von Zeipel教授告訴加了我關於你對小麥哲倫星雲的S. 造父變星的星等與周期長度之間的關係的發現，該經驗定律令我印象極為深刻，我非常想要提名你獲得1926年的諾貝爾物理學獎，儘管我必須承認我對這件事的了解還不完整。
不幸的是，這封信來得太晚，李維特在1921年便已經因癌症去世。
勒維特的工作在當時並沒有受到最公允的對待。今天，有許多努力都在試圖讓更多的人知道勒維特的事迹。這其中包括Dava Sobel的著作《玻璃宇宙：哈佛天文台的女性如何測量恆星》，書中涵蓋了勒維特的故事；此外，勒維特和她的女同事也是劇作家Lauren Gunderson譜寫的《Silent Sky》的主角。| 圖片來源：圖片來源：SILENT SKY
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