天文学家怎样证实河外星系的存在？

科普中国网 2016-10-31

关键词：河外星系星系天文学

　　1924年11月23日，美国天文学家哈勃在报纸撰文指出，仙女星云并非位于银河系，而是其他星系，并且宇宙中存在众多星系。这是人类第一次证实河外星系的存在。

　　成语“天外有天”，常用以描述人的认识或能力总是有限的，而认识事物的过程却是无限的。在天文学上，“天”可以理解为“宇宙”，天文学即研究宇宙和天体的自然科学学科。人类对宇宙的认识过程已有数千年的历史，其间有三个最重要的里程碑式事件：1543年波兰天文学家哥白尼提出日心说，1785年英国天文学家威廉?赫歇尔建立第一个银河系模型，以及1923年美国天文学家哈勃发现河外星系的存在。

　　在哥白尼时代，人们心目中的宇宙只限于太阳系，范围仅为几十天文单位，对太阳系外的恒星世界则不甚了解。赫歇尔把视野拓展到太阳系外，确认了由众多恒星构成的银河系的存在，尺度约10万光年。那么，银河系之外的宇宙又如何呢？

　　在赫歇尔尝试确定银河系结构之前，17世纪中叶，已有人注意到夜空中除了点状的恒星外，还可看到一些外形颇不规则的云雾状暗天体，并取名为星云。自然哲学家开始自问：“银河是否已构成了整个宇宙？”在当时显然没人能给以正确的回答。

　　对事物的认识总会有一个过程。1750年英国人赖特猜想，有些星云可能是银河系般的庞大恒星系统。1755年德国哲学家康德更明确提出，银河系外存在无数个与银河系类似的恒星系统（后人称之为河外星系或星系），并明确指出，早先发现的仙女星云就是这样的河外星系。赖特和康德的观念也许可称之为天才的猜想，但并无科学证据。那时，天文学家对星云的本质缺乏了解，更不知道它们在银河系之内，还是位于银河系之外。

银河系及其近邻星系

　　赫歇尔试图通过实测来寻找答案。这位科学大师认为，如果经望远镜的放大后，星云能分解成一颗颗恒星，那么所观测的星云就是星系，否则，星云便是银河系内的云团。然而，观测结果表明，一些星云确实能被分解为恒星，但也有不少星云在望远镜视场内仍是模糊一团，这使赫歇尔深感迷惑不解。赫歇尔这样的大科学家，拥有当时世界上最大的望远镜，尚无法判断，同时代的其他人，就更无所适从了。

　　实际上，赫歇尔的思路并非完全正确，因为那时的所谓“星云”包含了三类性质迥异的天体：银河系内的气体尘埃星云、银河系内的星团，以及河外星系。赫歇尔的望远镜能分辨为恒星的“星云”，只是星团。而银河系内的气体尘埃星云，或者是河外星系，都是当时的望远镜无法分辨的。

　　此后的100多年内，关于“星云”的本质仍无明确的定论。1920年4月，美国科学院为此举办了一次题为“宇宙的尺度”的专题辩论会。会上，持对立观点的两位著名天文学家柯蒂斯和沙普利各抒己见，相持不下，最终也未能得出明确的结论性意见。问题的关键在于如何测定“星云”的距离：若观测的“星云”同我们的距离远大于银河系的尺度，且又可分解为恒星，河外星系的存在便可得以肯定，否则“星云”便是银河系内的天体。

　　天文学是一门观测科学，天文学的发展史也就是它的主要观测设备——望远镜的发展史。望远镜口径越大，越能看到更暗的天体，分辨率也越高。为此，人们不断追求建造更大的望远镜。随着大口径望远镜的面世，最终证实河外星系存在的时机历史性地落在了哈勃的身上。

　　1917年，美国建成当时世界上最大的2.54米口径反射望远镜。1923年10月5日，哈勃用这架望远镜观测了仙女星云。在高分辨率照片上，仙女星云的外缘被分解成一颗颗恒星。哈勃在其中辨认出了一些造父变星。这些造父变星离我们的距离是可以测定的。经过仔细的核对和计算，哈勃据此推知仙女星云与我们相距约为100万光年（现代结果为240万光年）。尽管当时对银河系的尺度还未取得一致的认识，但据各种估算它的大小不会超过30万光年。因此，仙女星云远在银河系之外，无疑是一个河外星系，故应更名为“仙女星系”。这一年，哈勃才34岁。

　　哈勃的成就并非一朝一夕之功，他早年就对“星云”表现出极大兴趣，做了许多细致的工作。他大胆地把“星云”分为“银河星云”和“非银河星云”两类，但对自己观点的表述颇为谨慎，还提醒别人不要轻易把“非银河星云”理解为它们就处于银河系之外。直到测出仙女星系的距离后，哈勃才确认了河外星系的存在。

　　今天，人们已确知宇宙中存在着上千亿个星系，它们是宇宙物质结构形态的基本单元。对星系的研究已成为天文学的一个重要分支——星系天文学。