Bo Zhang's Homepage
	..The universe is unfolding as it should..

Alan W. Hirshfeld
译自Sky & Telescope, Vol. 107, No. 4 (2004)

从一项新奇事物发展成为一种强有力的科研工具，天体摄影最终走向了成熟。

1930年，埃德温·哈勃（Edwin Hubble）宣布了一项自伽利略首次将望远镜对准星空以来最为重要的天文发现。原先认为宁静漂浮在真空中的星系实际上正以不可思议的速度相互飞离；宇宙正在膨胀。哈勃非凡的发现引发了对认识的深远影响：宇宙诞生于一百多亿年前的原始火球中。在新的证据面前，长期占据统治地位的静态无穷宇宙观念在很大意义上消亡了。哈勃跨时代的发现促成了现代宇宙学研究——这是关于宇宙诞生、演化和消亡的科学。今天，该领域取得的成就依旧如同在哈勃的时代那般引人注目。

上图：自从1839年法国科学院首次公布银板照相法以来，银板照相法就算没有立即鼓舞起当时的专业天文学家，也激起了全体公众的想象力。这张未标注日期的照片拍摄的是银板摄影师约翰·H·菲茨吉本（John H. Fitzgibbon，1819-1882）在密苏里州圣路易斯的工作室中的情形，他正在使用银板照相艺术的多种工具。这一过程令人厌烦、低效且有害，但却能以非凡的细节记录影象。（图片提供：霍顿图书馆哈佛剧院收藏）

那么哈勃作出他那著名发现的基础是什么？是什么使得他可以成功完成当时最富挑战性的观测？哈勃的工作并非独一无二，它实际上是长达十多年的科技进步的顶峰，这样的进展在人类的历史上少有。膨胀宇宙的发现实际上要依赖于3项重要技术的组合：天体摄影术、天体分光学以及庞大而精密的望远镜的出现。它们是诞生于19世纪中叶的“新”天文学，也就是天体物理学的利器。天体物理学的支持者们绕过了关于天体位置和运动的成熟研究，转而去回答更加基本的问题：恒星是由什么物质组成的？它们如何产生？为什么会发光？宇宙的结构是什么？宇宙的过去和未来又是怎样的？

要回答这些问题，就需要有专门的工具将天体的暗淡光芒记录下来，以供人们在实验室中详查。通向这种令那些对此不屑一顾的专业同行感到汗颜，而他们自己也因这些举动而杰出。

如果说哈勃总结了科学突出成就的故事，这个故事的第一幕就应该发生在19世纪40年代的爱尔兰。在这里，哈勃的精神鼻祖——第三代罗斯（Rosse）伯爵威廉·帕森斯（William Parsons）梦想着造出世界上最大的望远镜。经过几年的试验，罗斯伯爵成功建造了他那口径6英尺、长58英尺的金属反射镜列维坦（Leviathan），并在气候变化无常的爱尔兰尝试着使用它来获取成果。（最近列维坦安装了新的镜筒和现代的镀镍铝制主镜，重新恢复了使用。）

罗斯伯爵和哈勃都巡视了他们所处时代的可见宇宙边缘，使用了他们各自时代最大的望远镜。罗斯伯爵画下了他眼中所见的事物；哈勃为了完成这个任务则应用了照相机和分光仪，并使用了加利福尼亚州威尔逊（Wilson）山巅的100英寸反射镜。正是罗斯伯爵在1845年发现了神秘的“旋涡”星云，而78年后，哈勃确认它们就是远方的银河系。

虽然罗斯伯爵装备了当时最为庞大的仪器，但却受限于维多利亚时代的科学；他不具备综合理解自己所见天体真实面目的基础。而在另一方面，哈勃的宇宙却是一座广阔的实验室，一片能让哈勃运用发展中的物理知识来解释自然秘密的领地。将这两位在时间上相差数十年的天文学家联系到一起的桥梁，要追溯到1839年1月巴黎一次轰动性的公众通告：路易·雅克·芒戴·达盖尔（Louis-Jacques-Mandé Daguerre）以化学方式在金属板上成功记录下了永久的影象。

上图：这张2毫米宽的银板照片序列拍摄的是满月，由纽约卡南代瓜（Canandaigua）的塞缪尔·德怀特·汉弗莱（Samuel Dwight Humphrey）在1849年9月1日晚间拍摄。他使用8英寸焦距的镜头记录下了月球表面空前的细节，照片在银板照相过程中已经经过了镜像翻转。注意照片序列旁边的手写曝光时间。这些照片据信属于现存最早的月球照片之列。（图片提供：哈佛大学天文台）

　

早期的成功

几千年来，天文学家用来研究天空的唯一光学仪器就是自己的眼睛。眼睛对天文学研究来说不能算是完美的设备：它收集光线的口径太小，不能放大物体，不能记录所见的场景，也不能积累在一段时间内所感受到的光子。17世纪望远镜的发明克服了人眼的前两个局限；而摄影术的引进则征服了后两个。

1840年3月，银板照相的先驱者之一、纽约的药剂师约翰·威廉·德雷珀（John William Draper）在曼哈顿广场一座高楼的楼顶拍下了第一张粗糙的月球照片。3年后，德雷珀记录下了太阳光谱。1845年，法国物理学家让·巴纳德·莱昂·傅科（Jean-Bernard-Léon Foucault）和阿曼德·希波吕忒·路易·斐索（Armand-Hippolytr-Louis Fizeau）获得了一张令人满意的太阳照片。接下来的进展要归功于波士顿的银板摄影师约翰·亚当斯·惠普尔（John Adams Whipple）和钟表匠兼哈佛大学天文台首任台长威廉·克兰奇·邦德（William Cranch Bond）之间的合作。

上图：1840年初，继路易·雅克·芒戴·达盖尔并不成功的尝试后，纽约药剂师约翰·威廉·德雷珀（1811-1882）拍到了首张月球照片，揭示了月面的细节。最初的照片据信是毁于纽约自然历史会堂的一场大火，当时它们被保存在那里。1843年，德雷珀成功拍摄了太阳光谱，光谱线在红外和紫外波段都清晰可见。他在照相化学反应以及光与热的关系方面所作出的基础性工作使得他成为美国最早的一批科学家之一。

邦德的观测记录表明，当惠普尔让他把照相机固定到天文台的15英寸大型折射镜上时，他偶然意识到了这一点；但为了迁就他的常客，邦德时常要停下自己的工作。[在数十年后的1870年，邦德的这个看法由火星卫星发现者阿萨夫·霍尔（Asaph Hall）再度提出，当时霍尔是抱怨用折射镜从事光谱观测的苦头。]而早期使用望远镜拍摄太阳的尝试却只是让他儿子乔治·菲利普·邦德（George Philips Bond）的袖子着了火。1849年，惠普尔和邦德拍摄了月球详尽的影象。这张照片以及后继者的大小只有2.5英寸，它们在1851年的伦敦博览会上导致了轰动效应——宇宙似乎被“带到了地球上”。

上图：一张接近上弦时分的月球银板照片，是1852年2月26日由摄影家约翰·亚当斯·惠普尔使用哈佛大学天文台的15英寸折射镜拍摄的。惠普尔和天文台台长威廉·克兰奇·邦德先前拍摄的类似照片已经在1851年的伦敦博览会上引起了轰动。（图片提供：哈佛大学天文台）

1850年，惠普尔和邦德在进行了1分半钟的曝光后拍下了第一批恒星的影象，拍摄对象包括织女星和北河二双星。翌年，乔治·邦德用银板照相法拍摄了木星赤道上的云带。考虑到月球与木星摄影所需要的时间相近，而木星的距离更为遥远，他推断木星表面的反照率要更高。这是羽翼未丰的天体摄影术取得的第一项科学成果。

上图：威廉·克兰奇·邦德（1789-1859）死前共执掌哈佛大学天文台20年。他的儿子乔治·菲利普·邦德接了他的班。在羽翼渐丰的天体摄影领域中，邦德父子与约翰·亚当斯·惠普尔一道与最初的成功密切关联。

尽管早期有过这些成功的事例，大多数职业天文学家却还是回避了摄影的过程。那时的摄影术是有害的、不精密的，而且还是低效的。只有少数天文学家预见到了这项新技术的潜力，认为它可以超越用人眼直接观看望远镜目镜时的效果。从19世纪50年代到80年代，天体摄影上的大多数进展都是由独立于学术机构的天文爱好者作出的。1852年，英国的印刷机发明者沃伦·德拉鲁（Warren De la Rue）开始着手于努力改进月球摄影质量，这项工作持续了将近10年。他的工具是自制的13英寸反射镜（后来又配备了转仪钟），以及曝光更快的湿火棉胶摄影术。后一技术是一年前由他的同胞、雕刻家、摄影家弗雷德里克·斯科特·阿彻（Frederick Scott Archer）引进的。德拉鲁的月球照片在放大到8英寸后仍旧生动而清晰。作为证据，这些照片连带他那不可置信的月球立体图象为关于月球地貌火山起源的争论增添了可能性。

上图：英国天文爱好者沃伦·德拉鲁（1815-1889）在1851年的伦敦博览会上看到了惠普尔和邦德拍摄的月球银板照片后，自己开始从事天体摄影。使用湿火棉胶底片和自制的13英寸转仪钟折射镜，德拉鲁给月球摄影带来了戏剧性的进步。在早期力图使实测天文学家支持天体摄影的努力中，他那详细的报告起了至关紧要的作用。

皇家天文学会对此留下了深刻的印象，并资助德拉鲁建造了一架专门的望远镜照相机（太阳全色照相仪），用以监测太阳黑子、拍摄日食。1860年7月18日，德拉鲁和意大利天文学家安吉洛·塞奇（Angelo Secchi）拍摄的日食照片显示，日珥确实是太阳上而非月球上的现象。（那时候，日珥只能在日食时被观测到，这就使人们对它起源的认识很不确定。）1861年，德拉鲁用立体图象说明，黑子是位于太阳光球层（也就是太阳的可见表面）上的凹陷。通过他向科学团体所作的详尽摄影报告，他为他的天文同行在日后的进展铺平了道路。

同时，美国人刘易斯·莫里斯·拉瑟弗德（Lewis Morris Rutherfurd）放弃了他的法律职业，于1856年在位于曼哈顿第2大道第11街（2nd Avenue, 11th Street）的自家花园一角建立了一座天文台。受邦德父子在哈佛大学天文台所作工作的启发，拉瑟弗德给他的11.25英寸菲茨（Fitz）折射镜配置了一架照相机，以图研究天体摄影的价值。根据他自己严苛的标准，他最初拍摄的月球、行星和恒星的湿火棉胶影象是失败的。他意识到，造成这一后果的罪魁是，他的望远镜更适合目视观测而非摄影。望远镜的物镜的设计是在可见光黄绿波段表现最佳，眼睛在这里是最为灵敏的；然而19世纪的照相乳胶主要是对蓝光的灵敏度最高。经过多年艰苦的工作（包括对太阳光谱最早的照相研究），拉瑟弗德为他的望远镜更换了一块自己设计的“摄影用”主镜。这样，他只需曝光几分钟就可以拍摄出边缘相当明晰的恒星、双星和星团影象了。

上图：19世纪60年代，曾做过律师的纽约天文学家刘易斯·莫里斯·拉瑟弗德（1816-1892）与望远镜制造工亨利·菲茨（Henry Fitz）一道，开发了“摄影用”折射镜的关键部件。他用这些设备获取了月球、星团和太阳光谱的高质量照片。

拉瑟弗德在1865年发表于《美国科学杂志》（America Journal of Science）上的一篇文章中写道，“用这样的中等口径望远镜就可以拍下9等星。这种能力证明，应该发展和提高摄影术在测绘星空方面的应用，而在一些测量活动中，它显示出了长久以来被拖延且已经令人失望的希望。”

1868年，拉瑟弗德将他的11.25英寸折射镜更换为一架口径13英寸的望远镜，这架望远镜的目视物镜可以在安装一片辅助透镜后改作摄影用。在接下来的10年中，他为昴星团、鬼星团以及其他星团拍摄了大量底片，还制造了桌面式千分尺阵列来测定星团成员星的位置。（在湿火棉胶底片上，恒星的影象很黯淡，无法与底片自身的微小斑点区分开来。因而拉瑟弗德在同一底片上拍摄两组并行的影象，一组曝光时间长，另一组要短些；所有恒星的影象都是双重的，但火棉胶底片自身的斑点只有一组。）

拉瑟弗德从没有达到他的初衷：证明摄影术在天体测量学——对星体位置的精确测量——上的价值；他的兴趣更倾向于摄影的进步和分光技术，而非数据处理。然而，天文学家本杰明·阿普索普·戈尔德（Benjamin Apthorp Gould）等人日后对这些星团照片的分析却说明了拉瑟弗德的论点，也就是有了天体摄影术和合适的测量方法，“老”天文学的关键分支——天体测量学研究可以更有效地进行；同时，这也是向一个被1889年的《科学美国人》杂志称为“迄今美国最卓越的私人科学家”的人所作的颂词。