寻找恒星周年视差

恒星到底有多远？布拉德雷之前的人们也曾经考虑过这个问题。17世纪下半叶的惠更斯主张恒星是遥远的太阳，并假设：①恒星与太阳一样在真实亮度上没有差别；②光线在空间没有衰减，光线只是按照距离的平方减弱。惠更斯通过比较天狼星与太阳的光度，得出天狼星距离地球至少达27 664天文单位。

提出反射望远镜设计的英国人格里高利利用行星反射的太阳光来估算天狼星与太阳的光度比，得到天狼星距离为83 190天文单位。牛顿用同样的方法，采用修正后的太阳系尺度数值，得到天狼星在1，000，000天文单位之外。但是天狼星的真实亮度是太阳的16倍，所以牛顿的估算偏大，天狼星距离地球550，000天文单位。

牛顿和布拉德雷对天狼星距离的估算表明测量恒星周年视差是对望远镜制作技术的很大挑战。一直要等到新一代仪器制造家出现、天文仪器的精度得到很大改进之后的19世纪早期，天文学家才成功地挑战了测量恒星周年视差这个难题。但对于18世纪晚期的天文学家来说，这个难题一样具有很大的诱惑力。

图8.20　威廉·赫歇耳肖像

跟布拉德雷一样，威廉·赫歇耳也试图寻找恒星的周年视差。虽然同样没有成功，但也同样取得了许多其他卓越的天文学成就。赫歇耳于1738年出生在德国汉诺威的一个军乐师的家庭，由于厌倦这种生涯，他做了逃兵，于1757年偷渡到英国。在英国以音乐谋生之余，他自学了拉丁语、意大利语，探究音乐理论并接触了数学、光学和牛顿的书。

赫歇耳有一种要亲眼看看天体的冲动，但买不起好的望远镜，于是自己动手研磨透镜，制造望远镜。1772年他把妹妹卡罗琳·赫歇耳（Caroline Herschel 1750－1848）接到身边。卡罗琳像他哥哥一样迷恋透镜的磨制。兄妹俩合作制造出了当时世界上最好的反射望远镜，并使反射望远镜在性能上第一次超过了折射望远镜。用他们的望远镜兄妹俩还取得了非常惊人的成果。成果之一就是在1781年发现了一颗新的行星天王星。

天王星的发现引起极大轰动。天文学家曾经以为在牛顿之后天空中不会再有什么新发现了。赫歇耳的发现像吹进天文学界的一股新鲜空气，它告诉人们天空中还有未知的东西。这一年赫歇耳被选为皇家学会会员，成为乔治三世的私人天文学家，英王也顺便赦免了这位同乡的偷渡之罪。

天王星的发现其实是赫歇耳研究恒星问题的副产品。赫歇耳心目中的大问题是：恒星自行和太阳本动、恒星的周年视差和恒星的空间结构问题。在这三个问题中，本章前文已经提到赫歇耳给出第一个问题的答案就是太阳本动真实存在。第三个问题的解答将在第十章中介绍。在这里主要介绍赫歇耳为了测出恒星周年视差而作出的努力。

赫歇耳企图用他的望远镜测出恒星周年视差。他设想：如果在某一方向上存在着靠得很近而实际上离我们的距离相差很悬殊的两颗星（光学双星），那么由于地球的周年运动，近星相对于远星会有周期性的位移，由此可以定出近星的视差。这种较差测量法是伽利略在《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》中首先提出来的。

图8.21　威廉·赫歇耳为西班牙国立天文台制造的大望远镜

赫歇耳尽量搜索双星。1782年和1784年他两次发表双星和聚星表，其中511对双星是他的新发现。问题是：双星数目如此之多，以至于远远超出了两颗恒星由于透视效应偶然接近的概率。这说明，大部分双星必定有物理上的联系（物理双星）。

到1802至1804年间，赫歇耳发现好几对双星存在一个子星绕另一个子星的轨道运动。这表明它们被某种引力束缚在一起。但这种力是否就是牛顿的引力呢？1827年巴黎的天文学家菲利克斯·萨瓦里（Félix Savary，1797－1841）证实大熊座ξ的双星在围绕其引力中心的椭圆轨道上运动，与牛顿理论所要求的一样，从而证明了万有引力定律同样适用于远离太阳系的恒星系统。赫歇耳寻找周年视差虽然失败，但为万有引力在宇宙中的普适性提供了一个重要证明。

在所有试图寻找恒星周年视差的天文学家中，德国人贝塞尔（Friedrich Wilhelm Bessel，1784－1846）拔得头筹。贝塞尔15岁开始在不来梅一个商人会计室里工作。他精通数学，又爱好天文，在业余时间开始对哈雷彗星在1607年那次回归的观测资料进行归算，求出了哈雷彗星的轨道。这项工作发表在了专业期刊上，给奥伯斯留下深刻印象，也使得贝塞尔有机会步入职业天文学家的行列。1806年贝塞尔成为施罗特（Johann Hieronymus Schröter，1745－1816）的天文助手。1810年成为柯尼斯堡新天文台台长。1838年发表天鹅座61的周年视差，了却了天文学家300年来的宿愿。

图8.22　贝塞尔肖像

要找到周年视差，非常关键的一点是要选择离地球最近的恒星作为观测对象。因为恒星越近视差越大。开始天文学家认为越亮的恒星距离地球越近，后来发现恒星的固有亮度差别很大。所以转而选择自行大的恒星。

德国天文学家斯特鲁维（Friedrich Georg Wilhelm Struve，1793－1864）在1837年发表的一篇论文中提出近星的三条判据：①它是否最亮的恒星之一？②它是否有较大的自行？③如果它正巧是“物理双星”，那么看两星在望远镜视场里是否分得比较开？

要找到恒星周年视差，还有一个必要条件是要拥有当时最精密的仪器。斯特鲁维手头拥有当时世界上最大的24厘米折射望远镜，为著名的德国光学仪器制造者夫琅和费（Joseph Fraunhofer，1787－1826）所造。贝塞尔有一架夫琅和费造的16厘米孔径“太阳仪”，它本来是用来测量太阳角直径的，但也是一架测量小角度的理想仪器。

斯特鲁维和贝塞尔也都采纳伽利略提出的较差测量法，他们相信他们选定的恒星比用作参照的附近恒星离得更近。

斯特鲁维选择织女星作为测量对象。这颗星格外明亮，自行也很大，达到每年0.35″，因此符合他的近星判据三条中的两条。1837年，他宣布说从17次观测结果中可以推断出该星有1/8角秒的视差。这与现代值颇为接近。但他以为偏小，到1840年给出了近100次观测的结果，结果将织女星的视差值增大到了原来的两倍。

贝塞尔把他的仪器对准了天鹅座61。令人惊讶的是，天鹅座61很暗，星等只有5等，但它的自行却很大，每年达5.2″。贝塞尔又选择离天鹅座61角距离分别为8′和12′的两颗恒星作为参考星。这两颗恒星非常暗弱，又测不出它们的自行，所以可以推断它们的距离非常遥远。贝塞尔对天鹅座61到这两颗参考星之间的距离进行了仔细测量，精度达0.1″。他于1834年开始观测，但不久因为哈雷彗星的到来而转移了兴趣，直到1837年，他才重新恢复对天鹅座61的观测。受到斯特鲁维的初步结果的鼓励，他用一年多的时间对天鹅座61进行了高强度的观测。1838年10月23日贝塞尔托人捎了一封信给时任英国皇家天文学会主席的约翰·赫歇耳（John Herschel，1792－1871），向他报告了天鹅座61的周年视差为0.313 6″±0.020 2″。^[4]约翰·赫歇耳对此表示了祝贺。

1839年初在好望角天文台工作过的苏格兰天文学家亨德森（Thomas Henderson，1798－1844）也宣布，他测得南天球半人马座α的周年视差为0.91″。亨德森所用的仪器比不上贝塞尔的，也比不上斯特鲁维的，但他选择的这颗恒星亮度很大，有很大的自行，而且是颗双星，其伴星有着很大的分离角，因此它满足了斯特鲁维的全部3条近星判据。事实上亨德森很幸运地挑选了离太阳系最近的一颗恒星。

到19世纪30年代末，恒星周年视差的存在终于被观测证实，但这一证实的意义主要已经不在于证明地球的绕日公转运动，而是在于提供了一种新的把握宇宙尺度的手段。此后天文学中多了一个度量距离的单位“秒差距”：设想在太阳和地球中心观测远处的恒星，两条视线形成的夹角为1″的话，那么恒星的距离为一个秒差距。1秒差距等于3.261 6光年，或206 265天文单位，或308 568亿公里。在所有测量恒星距离的手段中，基于三角学原理的恒星周年视差法提供了一把最为可靠的“量天尺”，是探测更遥远宇宙深度的基石。