恒星光行差的发现

开普勒定律和牛顿引力理论已经成功地运用于日心系了，但是地球绕日作公转运动的实测证据——恒星周年视差仍旧没有被观测到。英国人布拉德雷（James Bradley，1693－1762）立志要寻找恒星的周年视差，解决这个天文学史上久拖未决的难题。布拉德雷于1711年入剑桥大学学习，1719年获得神职，任蒙默斯郡教区牧师。他常常跑到他的天文学家叔叔的天文台去搞些观测。1721年成为牛津大学的萨维廉天文学教授。

当时居住在伦敦附近的业余天文观测者莫利纽克斯（Samuel Molyneux，1689－1728年）决定测量天龙座γ星的周年视差。布拉德雷跑去协助他。他们从仪器制造商格雷厄姆（George Graham，1673－1751）那里定做了一架专门用来测量头顶正上方恒星位置的望远镜。1725年这架“天顶测量仪”被安装在莫利纽克斯家房子的烟囱上。天龙座γ星正好从头顶经过。

莫利纽克斯和布拉德雷仅仅测量天龙座γ星沿南北方向的一维坐标。简单的计算表明，周年视差会导致这颗恒星在12月18日达到其最南位置。但是布拉德雷于12月21日发现它走到比几天前更靠南的位置上，在随后的几周里继续向南，直到次年3月，它走到了比其12月时的位置更靠南约20″时才停止。此后这颗恒星开始转向北移动，到6月回到它在头年12月时的位置，9月达到其最北端。这样，天龙座γ星一年里头在南北方向上位置变化达40″。

而这显然不是恒星的周年视差。莫利纽克斯和布拉德雷对上述现象做了各种可能的解释。他们特别考虑了这样一种可能性：是否地球的大气层没有形成真正的球形环层，以至于当恒星即使在天顶时也会受到折射的影响？布拉德雷认为应该对更多的恒星进行考察。为此，他委托格雷厄姆制作了另一架视场更大的天顶仪，对其他几颗偏离天顶的恒星进行观测。更多观测证明恒星的这种运动模式确切无误，它们在望远镜视场中位置变化的最大摆幅也是一样的，这进一步证明这种位置的周年变化不是周年视差。但是对这一现象，布拉德雷却迟迟找不到合理的物理解释。

据一个可信的传说，在1728年的某一天，当布拉德雷在泰晤士河上泛舟游玩时，突然找到了解决问题的答案。他注意到当船转向时，船上的风向标也随之转向，这当然不是由于风向发生了变化，而是因为风向标的指向不仅取决于风的速度，也取决于船的速度。他想到罗默对光速的测定，如果光速是有限的，那么在地球上看到的星光的方向不仅取决于该恒星所发出的光的速度，也取决于地球的运动速度。

布拉德雷意识到他一直在寻找的恒星周年视差是地球轨道的几何投影，而他找到的光行差是由地球本身的速度所造成的，沿地球轨道的切线方向。半径与切线相互垂直，因此光行差与周年视差之间有3个月的相位差。想通了这点之后，布拉德雷向哈雷写信报告了这一发现，该信后来被发表在皇家学会《哲学学报》上。^[3]

由于光行差的作用，恒星的视位置在6个月的周期里变化可高达40″，所以除了岁差和自行之外，星表中的恒星位置还必须给出光行差校正。在考虑了光行差修正之后，布拉德雷发现恒星的视位置还有一些细微的变化，他通过分析天球各处恒星的这种未知原因变化的分布规律，于1732年指出，这是由于月亮对地球赤道隆起部分的作用而导致地球自转轴发生颤动而引起的，这就是章动，其变化周期为18.6年，与月球公转轨道面的摆动周期一致。

图8.19　恒星光行差成因图示说明

尽管光行差的发现是以全然未曾预料到的形式出现的，但它为地球环绕太阳的运动提供了确切的证据。从光行差可以推得光速是大自然的一个常数，这是爱因斯坦狭义相对论的主要实验基础之一。布拉德雷计算出光从太阳到地球需要8分12秒，与现代值的误差在8秒之内。

布拉德雷在探寻周年视差上的失败表明，这种视差太小了，所以即使用他的那种高精度的仪器也探测不到。最近的恒星周年视差也一定小于0″.5—0″.4。因此恒星距离地球至少为日地距离的400，000～500，000倍。