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哈勃一退伍回到美国,即遵前诺赴威尔逊山天文台任职,当时他已达而立之年,始得安心从事日后使之声望卓著的天文研究工作。此后,除第二次世界大战期间曾在美国军队中参与领导弹道学研究,并在马里兰州阿伯丁试验场超声速风洞实验室担任领导工作外,哈勃始终在威尔逊山天文台工作。
从1922年起,哈勃将研究的注意力集中到旋涡星云本质的问题上。这是一个争论已久的问题。早在18世纪中叶,康德就把呈云雾状的星云看成是我们天体系统(银河系)之外的别的巨大天体系统。一个世纪后,德国科学家洪堡又把宇宙中一个个这样的天体系统比喻为大海中的无数小岛,称“宇宙岛”。
18世纪末至19世纪末,人们在宇宙岛是否存在这一问题上的研究走了许多弯路,遇到许多挫折。康德、洪堡等人推测呈云雾状的星云是宇宙岛,但在小望远镜中,看去像云雾状的星云的天体有许多复杂的情况:它们有的是银河系内的星团,仅仅是因为分辨不清才被当成星云;有的是银河系内的气体尘埃云,这种气体尘埃云与宇宙岛实际上是毫不相干的两回事;当然也的确存在作为宇宙岛的星云(后来称为河外星云)。由于这三方面的混淆和测量手段上的局限,宇宙岛的猜测难于得到证实。
20世纪初,人们用照相方法发现了大量旋涡星云,它们形如旋涡状,大多数很暗弱,只有极少数如仙女座大星云(通过照相发现它是一个半侧向对着我们的旋涡星云)等比较明亮。有人认为,这种旋涡星云很可能是宇宙岛。20世纪10年代末,美国天文学家柯蒂斯用“新星测距法”求得仙女座大星云的距离为1000万光年(1光年是指太空中光在1年中所走过的距离,1光年约10万亿千米)。所谓新星测距法是假定仙女座大星云中的新星与银河系中的新星光度相当,即认为两者在单位时间内发出的总光量很相近,只是由于仙女座大星云很远才使其中的新星显得很暗弱,然后推算出该星云的距离。这种方法在原理上并不错,但误差很大,连柯蒂斯本人在公布此结果后也很快加以更正,将仙女座大星云的距离从1000万光年减至50万光年。柯蒂斯认为银河系的直径只有数万光年,所以仙女座大星云远在银河系之外,是银河系之外的别的星系。美国天文学家沙普利认为柯蒂斯的测量不可信,他认为仙女座大星云不在如此遥远的距离上,而他却把银河系的直径定得过大,达30万光年,他认为仙女座大星云只是银河系内的真正的星云状天体。他还引证了荷兰天文学家范玛南提供的观测结果,旋涡星云M101,M33和M81每年以百分之几角秒的速率自转,这样大的角速度意味着这些旋涡星云不可能太遥远,其距离仅数千光年而已,由此沙普利推论旋涡星云都是银河系内的天体。后来人们发现范玛南的测量是错误的,是把某些系统误差当成旋涡星云的自转了,但当时沙普利却把它当做自己见解的重要依据。
1920年4月26日,由当时威尔逊山天文台台长海尔发起,在美国国家科学院召开了“宇宙的尺度”辩论会。沙普利和柯蒂斯代表对立的两方,就银河系的大小和旋涡星云的真相展开面对面的论战。这就是天文学史上著名的沙普利—柯蒂斯大辩论。这场辩论当时胜负未分,旋涡星云究竟是否是银河系之外的别的星系并未有统一的结论。
1923年,哈勃用威尔逊山天文台的口径为254米的胡克望远镜拍摄仙女座大星云的照片。由于这架当时世界上最大的望远镜的惊人分辨本领,照片上该星云的外围已被分解为恒星,在这些恒星中他证认出第一颗造父变星。翌年,他又在该星云中证认出更多的造父变星,并在三角座星云M33中也发现了一些造父变星。接着,他用“造父变星测距法”测出了这两个旋涡星云的距离。
什么是造父变星和造父变星测距法呢。造父变星是以仙王座δ为典型星的一类变星。中国古代用传说中的驾车能手造父来命名仙王座δ和它周围的几颗星,其中仙王座δ称造父一,因此以它为典型星的变星便被称为造父变星。这类变星是因星体本身的周期性膨胀和收缩而产生光度变化的,它的光度变化有一个重要特点,就是其光变周期和其光度之间存在确定的对应关系,这种对应关系是沙普利在1915年首先建立的。于是,通过测出某造父变星的光变周期,它的光度也就可以定出。某造父变星的光度定出后,再用观测定出其视星等,就可以定出它的距离。这就犹如在晴空万里的夜晚,从海船上遥望海岸边的一盏航标灯,如果该灯多少烛光已经确定,海船上所见到的它的视亮度就只依赖于海船离它的距离了,于是有经验的水手就可以根据他所见到的此航标灯的视亮度估计出海船离海岸有多远。使用造父变星的这种测量距离的方法称为造父变星测距法。
20世纪10年代后期,沙普利在银河系内的许多球状星团中发现了造父变星。由于球状星团离我们很远,它本身的尺度与它离我们的距离相比是可以忽略不计的,因此如果测出了球状星团中任何一颗造父变星的距离也就测出了该球状星团离我们的距离。根据这一点,沙普利应用“造父变星测距法”测出了许多已发现造父变星的球状星团的距离。如果他及时去寻觅旋涡星云中的造父变星,那么首先定出旋涡星云距离的也应该是他。但他却没有这样做,而哈勃却进行了这至关重要的一步,1924年,哈勃用“造父变星测距法”测量了仙女座大星云和三角座星云M33的距离为93万光年。当时,已知银河系的直径在10万光年左右,这意味着这两个旋涡星云远在银河系之外,是与银河系相当的独立的星系。哈勃将这一研究成果写成了论文。
1925年元旦,美国天文学会和美国科学促进学会在华盛顿联合召开了学术会议,哈勃并未到会,但他的上述论文被带到会上得以宣读。这篇论文一经宣读,在座的许多天文学家都已明白,关于旋涡星云本质的大辩论已告结束,宇宙岛的推测已获证实。当时,几年前进行此项大辩论的代表人物沙普利和柯蒂斯都在场。哈勃的论文分享了美国科学促进学会为这次学术会议设立的最佳论文奖。同年,该论文以“旋涡星云中的造父变星”为题发表在《美国天文学会会刊》上。
1925年,哈勃又用“造父变星测距法”测定了人马座星云NGC6822的距离,证实了该旋涡星云也是一个河外星系。同年,这一成果以“NGC6822,一个遥远的恒星系统”为题发表在美国《天体物理学报》上。哈勃的这些工作,翻开了人类研究大宇宙的新的一页,从此人们的视野超出了银河系,进入了星系世界。
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