赫歇尔的“大炮”——天文望远镜的发展

    作者：温学诗，吴鑫其

    在天文望远镜发明以后的几百年漫长岁月中，涌现出许多致力于天文望远镜事业的科学家。他们对宇宙太空充满了好奇和激情，为了让人们能够更清楚地观察我们头顶上的星空，他们将自己的毕生精力和聪明才智全都奉献给了发展和改进天文望远镜这一神圣的科学事业。正因为有他们坚持不懈的努力，才使得观天巨眼能够蓬蓬勃勃地发展起来，同时为现代化的大型天文望远镜的建造打下了良好的基础。他们为了发展望远镜制造事业的那份执著和勤勉的精神，干起事业来那不遗余力、拼命三郎的感人肺腑的事迹，不仅是在天文学历史上留下了光辉的记录，而且至今仍然是我们学习的榜样。

自从牛顿发明了反射望远镜之后，人们看到了反射望远镜制作容易、使用方便并且消除了色差等几大优点，自然都愿意发展反射望远镜了。在这方面作出突出贡献的首先是英国著名天文学家威廉.赫歇尔(1738-1822)，他几乎一生都没有停止过对反射望远镜的研制工作。他好像从不知道疲倦，亲手磨制的镜面竟达400块之多，其中被誉为赫歇尔的“大炮”的望远镜代表了当时的最高水平。他利用自己制造的望远镜作出了许多令人瞩目的重要发现，成为德高望重的一代天文大师。

1.从音乐家到天文学家

    威廉.赫歇尔1738年11月15日生于德国西北部的汉诺威，兄弟姐妹共有六人。他的父亲是禁卫军乐团里吹双簧管的乐师。受父亲的影响，赫歇尔从小就喜爱音乐，并显露出音乐才华，既会拉小提琴又会吹双簧管。父亲多才多艺，不仅精通音乐，还对星空感兴趣，晴朗的夜晚就带领孩子们认识星星、熟悉星座。

    1753年，赫歇尔16岁就离开学校投身禁卫军，在军乐团里拉小提琴和吹双簧管。1757年，为了躲避战乱，只身来到英国伦敦。经过几年的颠沛流离之后，1760年到英国达勒姆郡军乐团里任职。他白天演奏或作曲，晚上就学习英文、拉丁文，钻研数学和物理学。

    1766年，他又转到哈利法克斯大教堂任管风琴师。和前几年一样，他白天当音乐家，晚上学习天文，每逢晴夜，就去观察星空。赫歇尔的薪金微薄，买不起望远镜，于是他就租了一架小型的反射望远镜来用。很快，他就不满足于这架小望远镜了，他觉得自己完全能够造出比它更好的望远镜来。1772年他把小妹妹卡洛琳赫歇尔接到英国来和他生活在一起，让她承担起生活上的琐碎事务以便自己能够专心致志磨制望远镜镜片。后来卡洛琳也成为一位著名的天文学家。磨制镜片是一项非常耗费时间的劳动，那时候又没有磨镜的机器，完全要靠手工。赫歇尔经常是一口气磨几个小时，有一次甚至一口气磨了十六个小时。卡洛琳陪伴在他的身旁，有时候读书给他听，饿了的时候就端着饭碗一勺一勺地喂饭给他吃。卡洛琳在自己晚年时写的回忆录中记叙了赫歇尔制镜过程中的许多类似的感人情节。

    赫歇尔还用各种金属做试验，看哪种金属的反射率最高。1774年，他的第一架望远镜终于成功了。这是一架牛顿式反射望远镜，物镜口径12厘米，焦距1.7米，放大率为40倍。有了制造第一架望远镜的经验，1776年赫歇尔在一年之内一口气连续制成三架望远镜，口径分别为15厘米、23厘米和30厘米，焦距分别为2米、3米和6米。

    赫歇尔最喜爱口径15厘米那架，用起它来得心应手。他用这架望远镜观测了一个又一个天体，如月球、火星、土星、变星、星云，等等。1781年3月13日，在他又用那架喜爱的望远镜观测星空的过程中，他偶然发现了一个新的天体，它看上去是一个小圆面，而不是一个光点。起初，他以为这是一颗新的彗星，但是经过进一步的反复观测之后，赫歇尔根据这个新天体的形态、轨道和运动等各方面的特征确定它不是彗星，而是一颗新的行星。如果这是一颗彗星就无所谓了，因为新彗星每年都有不少颗。但如果是一颗新的行星，那意义就重大了。因为在这之前人类汄为土星就是太阳系的边界，人们从来没有想象过夜空中除了水星、金星、火星、木星和土星这几个大行星之外还会有新的大行星。

    赫歇尔将他的发现报告给皇家学会，并得到了天文学家的证实。赫歇尔的发现轰动了整个世界。天文学家将这颗新的大行星命名为天王星。英国国王乔治三世对赫歇尔大加褒奖，册封他为皇家天文学家，每年给他200英镑的薪俸。他还被选为英国皇家学会会员。赫歇尔从一个业余天文学家转眼间就变成了国内外著名的并且有突出贡献的著名天文学家。从此，赫歇尔辞去了教堂乐师的职务，一心一意地钻研天文学了。

赫歇尔的“大炮”

    天王星的发现大大地激励了赫歇尔的热情。1781年他决定制造一架物镜直径达91厘米的望远镜。当时在任何地方都找不到如此巨大的曲面镜，他只好自己用金属铸造。他在自家地下室中砌筑了冶炼炉灶，自己熔炼合金材料。由于缺少资金，他就用马粪做了一个铸模。当他把熔化了的金属灌进这个散发着冲天臭气的马粪铸模里时，铸模在骤热下猛然炸裂，滚烫的熔浆涌向四面八方。这次实验没有成功。几经失败后，他不断总结经验教训，改进工艺流程，最后终于饶铸出了合格的大镜胚。口径91厘米的巨型望远镜制成了，这是前所未有的大望远镜，赫歇尔也积累了制造大望远镜的经验。

    1786年，赫歇尔又决定制造一架口径达122厘米的反射望远镜，这是一项令世人震惊的计划。英王乔治三世拿出自己的2000英镑资助他。有了经费，赫歇尔招聘了40名工人开始忙碌起来。

    赫歇尔始终为事业操劳，从未想过娶妻生子的事情。1788年，年已半百的他才和一位有钱的寡妇结婚，因为这个女人欣赏他的才华，并且愿意从经济上资助他制造望远镜。赫歇尔52岁的时候喜得一子，取名约翰赫歇尔，在父亲和姑姑的熏陶下，约翰后来也成为著名的天文学家。1789年底，口径122厘米的巨大的反射镜面镶嵌在12.2米的镜筒中，依靠一个15米高的木质构架竖立起来了。远远看上去它就像是一尊指向天空的巨型大炮，人们干脆戏称它为“赫歇尔的大炮”。这架“大炮”是赫歇尔一生中制造的最大的望远镜。也是当时世界上最大的天文望远镜。

    赫歇尔的巨型望远镜，并没有完全按照牛顿的设计，而是作了一些改变。他使主镜倾斜，这样，不需要副镜的反射，主镜直接把会聚的光束送到靠近前方镜筒口的焦点处。这样一来，省去了牛顿式的平面副镜，提高了聚光效率。这是赫歇尔的发明，后来人们将按此方法制成的望远镜就叫做赫歇尔式望远镜。观测的时候，观测者就倚在高高的镜筒口边俯视物像，既要忍受冬夜的严寒，又要冒着不小心会摔下来的危险。事实上，从望远镜上摔下来的天文学家还真不少，有的甚至献出了自己宝贵的生命。可见天文学家并不像有些人想象当中那么浪漫自在。

    “赫歇尔的大炮”正式投入使用的第一天，英国王和皇家学会的许多成员都来观看。赫歇尔在众人的注视下，小心翼翼地爬上高高的木梯，站在望远镜筒口边，通过目镜仔细观望，片刻后他激动地告诉大家：“我看到了前人从未看到过的深层空间。”随后，他把望远镜对向他最喜欢观测的土星，立即就发现了两颗新的土星卫星，使当时已知的土星卫星总数增加到了七颗。

丰硕的成果

    赫歇尔一生当中不仅为天文望远镜的发展作出了永载史册的贡献，更在天文学的观测和研究方面取得了非常丰硕的成果。赫歇尔观测十分勤奋，从不放过一个晴夜，几十年来就连他去开会、办事，也总是选在不利于观测的满月前后几天。他的涉猎面很广，从太阳系天体，到恒星世界和银河系，再到星云，无一不为后人留下了他的重大发现。

    赫歇尔在研制望远镜的过程中，将太阳系天体当做他校验镜子质量的天然目标，因此太阳系天体成为他经常光顾的对象。1781年，他计算出火星巨转的周期。1787年，发现天王星的两个卫星。1795~1801年，开创了用泛二方法观测日面的工作。1802年，他成功地观测了水星凌日（水星圆面从日靣经过）的全过程，得出水星无大气的科学论断。他用分光技术测量太阳不叵波段的热效应，首先发现太阳在红色光波段以外的热辐射，并将这个波段区域定名为“红外”，成为红外天文学的开创者。

    赫歇尔最重要的贡献是将天文学探测的领域从太阳系扩展到了恒星世界。1779年他在妹妹卡洛琳的协助下完成了历时两年的、为寻找双星而进行的巡天观测。1782年由皇家学会发表了他们得到的天文学历史上第一部双星星表，共记载了269颗双星、三合星和聚星。紧接着他又进行了为期两年多的第二期观测，发现新的双星、三合星和聚星共434颗。星表于1785年发表。以后，他又进行了第三期巡天观测，发现了145颗新的双星。星表于1821年发表。他三次总共发现双星、三合星和聚星共848颗。通过长期的观测实践，赫歇尔得出两条重要结论：一是恒星的距离远比人们原来想象的要远得多；二是双星中的两颗星有许多并不仅仅是在距离上相互靠近，而是成双结对、相互绕转。赫歇尔有关双星的研究成果也掀开了双星研究历史的第一页。

    赫歇尔还利用当时仅知的14颗恒星中的7颗恒星的自行资料，测定出太阳在空间运动的指向是在武仙座^星附近一一后人称为太阳向点，他的结果与现代的公认值十分接近。赫歇尔在当时能够作出这一成就，已经远远地超过了当时的水平。

    18世纪中叶，英国科学家赖特和德国哲学家康德等人提出了银河系的概念，他们认为银河众星与天上的全部恒星共同组成了一个非常庞大的天体系统。这个天体系统的形状像一个磨盘，太阳也是其中一员。但这只是他们的推想，并没有得到证实。赫歇尔决心用实际观测结果来验证它。为了达到这个目的，赫歇尔从1776年就开始系统地进行恒星计数工作。他把天空按经纬度划分成1083个区域，然后把望远镜一次又一次地对准一个又一个的星区，辛勤地观测着一颗又一颗恒星。经过连续十来年的观测，他一共计数了117600颗恒星。通过这些观测资料，他发现离银河平面越近，星的数目越多，恒星越密集。他按照恒星的视星等，分别计算恒星的数目，并进一步分析了天空各个方向不同距离上的恒星分布情况。1785年他发表了题为“论星空的结构”的论文，向世人宣布了他用观测方法得出的银河系的大致图像。赫歇尔认为，银河系确实是一个呈扁平形状的恒星系统，由恒星与银河共同组成；它的长度与厚度之比大约是6：1，好像一块边缘不那么整齐的大烧饼，太阳在这个大烧饼的中心。

    赫歇尔得出的银河系模型并不完全正确，比如事实上太阳并不在银河系的中心。但他所得到的银河系结构模型，是人类认识宇宙历史上一个重要的里程碑，为后人进一步探讨银河系的奧秘奠定了良好的基础。

    赫歇尔对星云的观测也有丰硕的成果。他从1783年开始系统地搜寻星云，历经19年，直到1802年才告结束，发现的星云和星团超过3000个，并编写了非星天体表，分为三批发表。而在此之前，人类仅仅知道150个这类天体。这3000个非星天体中，少数是星团和气体星云，绝大多数都是河外星系。但当时天文学家尚不清楚它们的区别。20世纪20年代，人们认识到河外星系的存在之后，才将它们彻底区分开。