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那一天,我們發現了宇宙–哈伯及當時的科學家

在1925年一月一日哈伯正式發表他的結果之前,我們所了解的整個宇宙,就是太陽系所在的銀河。哈伯對仙女座星雲的距離測量,卻顯示它遠在銀河系的範圍之外。也就是,在那一天,我們發現了銀河系之外還有一整個宇宙,正等待我們去探索。
 
 
在1925年一月一日哈伯正式發表他的結果之前,我們所了解的整個宇宙,就是太陽系所在的銀河。哈伯對仙女座星雲的距離測量,卻顯示它遠在銀河系的範圍之外。也就是,在那一天,我們發現了銀河系之外還有一整個宇宙,正等待我們去探索。有趣的是,哈伯本人竟然沒有到場發表他的結果。更令人驚訝的,接下來的測量顯示,哈伯所發現的竟然是一個動態的宇宙。這個結果,顛覆了科學界,包括愛因斯坦,對大尺度宇宙先入為主的觀念。就這樣,揭開了現代宇宙論的序幕。我們將從哈伯、他周圍的科學社群以及當時的觀測儀器出發,來介紹這個有趣的故事。

講演綱要(撰文|高英哲)

在二十世紀初的時候,人們認為銀河系就是整個宇宙,範圍大約是數萬光年;所有看得到的星星,全都在銀河系內。把這個認知推翻的功績,我們如今歸諸於哈伯,不過他是站在哪些前人的研究基礎上,又是在什麼樣的社會脈絡下,造就他如今的歷史定位?

故事的開端發生在美國最古老的洛厄爾天文台(Lowell Observatory),當初這座天文台主要的工作是觀測火星人(別懷疑,他們是認真的)。1913 年某一天,在洛厄爾天文台工作的天文學家斯里弗(Vesto Slipher),接到了台長指示,要對仙女座「星雲」進行觀測,因為當時天文學家認為星雲是銀河系中的星塵,研究星雲可藉此了解行星的組成成分。斯里弗對仙女座「星雲」進行光譜分析,意外發現包括仙女座在內,許多星雲都有紅移現象,顯示它們運動速度極快,且大多離我們遠去,看起來不像是在銀河系中。他其實算是第一個觀測到宇宙擴張現象的人,只是他當時並未理解到這個事實,後來光彩大多被哈伯給搶走。

要證明宇宙擴張現象,無可避免地一定要有星體測距的技術,但是這對於在地球上進行觀測的二維星空來說,是一件非常困難的事。哈伯所用觀測變星亮度的測距方法,要歸功於哈佛天文台的女性天文學家勒維特 (Henrietta Swan Leavitt)。值得一提的是勒維特並非哈佛天文台聘雇的天文學家,而是當時的台長皮克林(Edward Charles Pickering)找來整理大量觀測資料,被戲稱為「皮克林的後宮」的女性「計算員」其中一員;但她整理出來的資料可真夠嚇人的了,一共列舉了 1,777 顆變星,並以此歸納出造父變星的絕對亮度,與變化週期成正比的關係,由此奠定測量絕對亮度來推估距離的基礎。

實際上去觀測變星亮度,並且計算其距離的,首推威爾遜山天文台(Mount Wilson Observatory)的天文學家沙普利(Harlow Shapley)。他根據透過 60 英吋海爾望遠鏡,所觀測球狀星團中造父變星的結果,推估這些星團與太陽系之間的距離,結果發現太陽系非但不是座落在銀河系中心,實際上反而離中心十分遙遠,有 65,000 光年之譜;整個銀河系的大小事實上達到 30 萬光年,比原先大家想的大了一個數量級。

最後輪到哈伯登場,他在 1919 年利用威爾遜山天文台新落成的 100 英吋虎克望遠鏡,完成他的關鍵計算,確定了許多所謂的「星雲」,其實是銀河系外的星系。他在仙女座「星雲」裡找到一顆造父變星,並藉此推估出仙女座距離太陽系有 250 萬光年之遙,遠遠超出人們原先的預期。很明顯地仙女座並非是星雲,而是位在銀河系之外的獨立星系,人類也因此確認了宇宙的範圍,絕對不僅止於銀河系的事實。

在 30 年後,已經名滿天下的哈伯,又主持了位於帕洛馬山天文台(Palomar Observatory),200 英吋海爾望遠鏡的觀測工作。工欲善其事,必先利其器,從哈伯靠著大口徑望遠鏡功成名就的事實,我們發現實驗器材對於科學的發展,有時候比起先行的觀念,具有更關鍵的影響力;而一個像美國當時那樣富足的社會,對於科學發展不遺餘力的贊助,更是加速研究突破不可或缺的推手。

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