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2004-12-5

拍摄天空——19世纪天体摄影术的兴起

归档于: 天文空间科学, 史海钩沉 @ 11:03 am

先驱式的天体摄影家

Henry Draper

上图:纽约医生亨利·德雷珀(Henry Draper)(1837-1882)在设计建造镀银玻璃主镜反射望远镜、天体摄影和恒星光谱型等方面作出的先驱性努力大大促进了19世纪70至80年代实测天体物理学的发展。(图片提供:哈佛大学天文台)

当拉瑟弗德在位于城市中的天文台拍摄天空时,他的同胞,纽约人亨利·德雷珀正在通过显微镜拍摄银板照片,来为他关于人体脾脏的医学论文准备插图。1857年,第一个拍摄月球的人约翰·威廉·德雷珀的儿子——20岁的亨利毕业了,这个年龄对于考取行医执照来说还太年轻。他进行了一次欧洲之旅。在比尔(Birr)城堡,他看到了罗斯伯爵那庞大的列维坦望远镜。当返回美国的时候,德雷珀决定在他的住家——亨德森的哈斯汀(Hasting-on-Hundson)建造美国第一座专门用于天体摄影的天文台。(现在这里是博物馆兼档案馆。)他向声明远扬的英国天文学家约翰·赫歇尔(John Herschel)征求意见,赫歇尔建议他放弃从艾萨克·牛顿(Issac Newton)时代延用下来的复杂金属反射镜,改用完美的研磨玻璃镀银镜片。亨利和他的哥哥丹尼尔(Daniel)开始用自己设计的脚踏车研磨机工作——除了一次让狗沿固定轨道奔跑的失败试验以外。他们一起制造了一系列实用的玻璃反射望远镜,最大口径达到了28英寸。

亨利详尽的报告《建造口径15英寸半的玻璃望远镜,及其在天体摄影上的用途》成为一代又一代天文爱好者自制望远镜的标准手册。他创下了多个天体摄影里程碑,其中包括第一次记录恒星光谱(织女星,1872年)和第一次拍摄猎户大星云(1880年)等等。1882年,在亨利45岁因肺炎去世后,他那拍摄和分析恒星光谱的空前工作中断了。这项计划由亨利的遗孀安娜·玛丽·帕尔默(Anna Mary Palmer)赞助哈佛大学天文台继续进行。它的意义在于获取了现代照相光谱分类的原则。1924年,该计划编成了纪念碑式的德雷珀恒星光谱表(Draper Catalogue of Stellar Spectrum)。

 

天体物理学的兴起

1874年的金星凌日却使天体摄影成为正规研究手段的进程产生了短暂但很显著的倒退。这次天象给人们提供了一次准确测量日地距离的罕见机会,而人们对照相机这只“公平”的眼睛寄予厚望,希望它能消除目视观测带来的幻觉。然而,美国、法国和德国的照相小组使用不同的设备和观测方法,却都没有从照相底片上提取出可靠的数据。日后,由14国天文学家组成的讨论组在总结中表示了对1882年下一次金星凌日使用摄影方法观测的不赞同。在1886年向圣彼得堡科学院提交的一份报告中,普尔科沃(Pulkovo)天文台台长奥托·威廉·斯特鲁维(Otto Wilhelm Struve)总结了传统天文学家的普遍感受:“上帝禁止用这些新奇迷人的东西进行天文学研究……”[甚至直到1914年,目视观测的拥护者珀西瓦尔·洛厄尔(Percival Lowell)还将“新”天文学的流行归因于“图片对人们产生的影响”。]

Venus Transit

上图:这张来自美国海军天文台观测队的明胶底片拍摄下了1882年12月6日的金星凌日。(叠加的网格是望远镜光学系统引入的人为物;小斑点是摄影乳剂的瑕疵。)美国与法国都属于在1882年的金星凌日中继续使用摄影手段的少数国家之列。(图片提供:美国海军天文台图书馆)

在对金星凌日的“山崩”觉醒后,一场双重的革命将摄影术推入了世界各大学术性天文台:第一,人们发明了“超级灵敏”的动物胶基底溴化银干板,这样的底片只需曝光1/10秒,得到的影象细节就可以与湿火棉胶底片曝光10秒,或银板曝光30分钟所得的相媲美;第二,一批新兴的职业研究者——天体物理学家——的地位逐渐升高,他们将摄影术(以及分光术)视为获取天体本质信息的重要工具。而相当重要的一点是,19世纪80年代的几项大型目视天文计划都没有得到可靠的结果,其中包括恒星光度的测量、光谱分类以及对弥漫星云结构的研究。

当照相机揭示了大量从未被肉眼观测过的天体时,目视观测的局限性进一步显现了。英国工程师安德鲁·安斯利·康芒(Andrew Ainslie Common)用他自制的36英寸反射镜拍摄了猎户大星云的照片,显现出了远比目视所见更多的发光气体涡旋结构。他的英国同胞艾萨克·罗伯特(Isaac Robert)将20英寸反射镜拍摄的照片出版为一本清晰的星团、星云影集;他那“真正的”蟹状星云影象边缘比最熟练的画技所能描绘的还要清楚。1891年,德国天文学家马克斯·沃尔夫(Max Wolf)通过摄影术发现了一颗小行星(323号Brucia);一年后,加州利克天文台的爱德华·爱默生·巴纳德(Edward Emerson Barnard)用同样的方法捕获了一颗新的彗星。(月球和行星天文学长久以来被目视观测所统治。在19世纪的底片所需要的曝光时间内,湍动的地球大气不可避免地会抹去天体表面的细节,而在行星圆面准确落到焦点的那一刻,眼睛还是比较稳定的。)

M42 M42

上左:使用19世纪70年代引进的新型干板摄影术的天文学家不再受限于过时的湿板技术所要求的较短曝光时间。1880年9月30日,亨利·德雷珀用他的11英寸折射镜进行了51分钟的曝光,记录下了猎户大星云的第一张影象。(图片提供:哈佛大学天文台)上右:随后的深空天体摄影有了迅猛的发展,这张猎户大星云的精细照片就是证据。它由英格兰的安德鲁·安斯利·康芒在1883年利用36英寸反射镜拍摄,曝光37分钟。成功拍摄这类照片的关键是高精度的望远镜转仪钟。照片上方为北侧。

在发现未知的潜力以外,照相机在一些更为重要的计划中有着很大的优势。早在19世纪80年代,人们就在利用摄影法确定恒星的亮度和颜色方面取得了一些进展,这些主要是由哈佛大学的爱德华·查尔斯(Edward Charles)和威廉·亨利·皮克林(William Henry Pickering)进行的一系列先驱性研究;然而直到20世纪,当问题的理论和设备方面都被人们充分了解后,标准的测光方法才被采纳。

对天空的大规模照相测绘始于非洲好望角皇家天文台台长大卫·吉耳(David Gill)。吉耳在使用借来的商业肖像镜头拍摄1882年9月的大彗星时,对背景上的大量星象感到十分惊奇。由这次工作带来的热情,他鼓动了手下支持天体摄影的专业天文学家。在那个时候,这是很危险的活动;1887年,英国皇家学会延缓发放了吉耳的研究经费。尽管如此,从19世纪50年代到90年代,吉耳和两名助手用一架6英寸折射镜拍摄了赤纬-18度以南的整个南天。他们所得的星表——好望角照相巡天表(Cape Photographic Durchmusterung,CPD)记下了454875颗恒星的位置和星等信息。CPD是更为雄心勃勃的照相天图(Carte du Ciel)计划的先驱,后者致力于拍摄全天亮于14等的星体。尽管这项国际合作计划从未完成,它的出版物和会议却将天体摄影的方法和可能性告诉了目视天文学家。

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上图:南非好望角皇家天文台台长大卫·吉耳用一支借来的2.5英寸商业肖像镜头拍下了1882年9月的大彗星。他被照片背景上的众多星象(比如上面这张拍摄于1882年11月14日的照片所展现的)所震惊,开始着手于一项延续了5年半的南天照相巡天计划,得到了将近455000颗恒星的位置和星等数据。他成为了专业天文学家中率先采用天体摄影术的改革者。(图片提供:南非天文台)

历史学家威廉·西顿(William Seaton)在他对19世纪科学的研究中写道,“通过在望远镜上使用灵敏的照相底片代替人眼,我们获得了彗星、恒星和星云的照片,而这些影象是人眼通过望远镜绝对不可能看见的……数小时的累积曝光以从前想都不敢想的深度揭示了宇宙。”似乎是为了显示天体摄影术的胜利,19世纪90年代间,詹姆斯·爱德华·基勒(James Edward Keeler)使用康芒捐献给利克天文台的36英寸反射镜拍摄了数千个以前从未见过的旋涡星云。30多年后,埃德温·哈勃揭示出,基勒所见的谜一般的旋涡实际上是飞驰在深空中的单个星系。

回顾19世纪,当时天体摄影的发展看起来是很混乱的,甚至可以说是随机的。它的支持者所遇到的阻碍不仅仅是技术上的,更有思想甚至是政治上的;许多天文学家放弃了这项尚未成熟的技术(由于当时它尚有严重的缺陷,这也是可以理解的),而其他一些人则只是在口头上反对它。然而,观念的大潮的确转移了,任何现代化的天文台以及本期杂志中的这篇文章证实了这一点。天体摄影的错综故事就好象是一部管弦乐作品,每种乐器依次奏响,直到最后,它们的声音汇聚成交响乐。天体摄影的先驱试图抒写的“交响乐”直到众多天文学家开始一齐“演奏”时方才显现出来。


Alan W. Hirshfeld是达特茅斯市马萨诸塞大学的天文学教授,也是《视差:测量宇宙的竞赛》(Parallax: the Race to Measure the Cosmos)一书的作者(该书2001年由W. H. Freeman and Co.,出版)。这本书是叙述测量恒星距离的编年史。他现在正忙于撰写19世纪物理学家法拉第和麦克斯韦的传记。

译后记:亨利·德雷珀用来拍摄第一张猎户大星云照片的望远镜至今犹在,就安放在南京大学天文系小楼的楼顶正中。历史上,这架望远镜还曾被用来研究过恒星光谱分类,发现过首颗分光双星,并证实了矮星、巨星的存在,可以说是功勋赫赫。2003年2月号的Sky & Telescope杂志刊登有一篇短文介绍它。这是一架Alvan Clark所制的11英寸折射镜,1948年被哈佛大学天文台的哈罗·沙普利捐赠给中国(当时大约是捐给了中山大学,南大天文系成立后望远镜也被搬到了南京)。作为天文系的学生,我却一直没有机会进入它的圆顶中参观,只是通过门缝向里面看过几眼。据去过那里的人讲,望远镜表面几乎是被“尘封”了,上面落了厚厚的一层灰;而实际上如今南京市区辉煌的灯火也不允许在系小楼里作什么天文观测了。不过话说回来,虽然Clark是一代制镜名家,但毕竟他所处的年代距离现在太远,那架望远镜的辅助设施明显落后,它更没有配备现代化的CCD设备和计算机控制系统。想想使用学校新天文台的望远镜时的情形,只需在计算机屏幕上轻轻一点,过几秒钟就可以看到清晰的星象了;虽然正规观测时的平场、暗流程序也颇为麻烦,但毕竟是比亲自进暗室冲洗底片容易多了。CCD作为底片的替代品,正如当年底片取代了目视观测一样,掀起了天文学研究的革命,同时它也在日常生活中得到了广泛应用。(有一次和新闻传播学院的朋友开玩笑说:今天你们有数码相机用,还得先感谢我们学天文的,嘿嘿……:P)

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