赫歇尔的天文观测与海王星的发现

19世纪天文学的发展得益于观测技术的进步。这些技术进步包括望远镜的改进、天体照相术的发明和光谱学技术的发明。1781年，赫歇尔（1738年—1822年）利用自制的大型反射望远镜发现了天王星；1787年他研制出第一架焦距为20英尺的巨型反射望远镜，两年后（1789年）又研制出直径为48英寸、焦距为40英尺的巨型反射望远镜，并用它发现了一些行星的卫星。1846年，德国天文台台长加勒（1812年—1910年）按照勒维烈（1811年—1877年）计算的结果发现了海王星。

（一） 赫歇尔的天文观测

18世纪最伟大的天文观测家当推弗里德里希·威廉·赫歇尔。生于德国的汉诺威，父亲是汉诺威军队里一名双簧管吹奏手。赫歇尔刚满14岁就继承父业当了一名军乐师，成年之后不愿当兵便来到了英国，一直靠音乐谋生，当过乐队指挥。1766年，他成了巴斯城八角小教堂里的风琴手。他靠教授音乐获取了丰厚的报酬。

赫歇尔对天文学有浓厚兴趣。他读了一本光学书籍，决定按书上所说自己做一架望远镜。他买不起昂贵的镜片便自己动手磨制。他的妹妹卡罗琳·赫歇尔（1750年—1848年）也是一位天文爱好者，后来协助其兄长作出了许多伟大的发现，是历史上第一个女天文学家。兄妹两人一起亲自动手磨制镜片，改进望远镜，终于在1774年造出了当时最好的反射望远镜。

有了最好的望远镜，赫歇尔决定系统地观测整个天空中的每一样东西。1781年3月12日，正当赫歇尔用望远镜在金牛座搜寻恒星时，一颗“星云状恒星或者彗星”显出了圆面。这就是说，它并不是一颗遥远的恒星，因为没有任何一颗恒星能在望远镜里显出圆面，在望远镜里，恒星只可能增大亮度。过了几天，这颗星相对于周围恒星出现移动，表明它是太阳系里的天体，赫歇尔起初认为它是一颗彗星，并作了报道。但后来发现，它像行星那样有明朗的边缘，而且进一步观测表明，它的运行轨道像其他行星一样近似一个圆，这就说明，它是土星轨道之外的太阳系内又一颗行星。

这是近代科学诞生以来第一次发现新的行星。其实，这颗新行星从前也被人们看到过，但都被误认为或是恒星或是卫星而忽视，只有赫歇尔的望远镜才将之显出一个圆面，证实了它的真实身份。

新行星的命名是一个大事。赫歇尔本人想依照当时的英国国王乔治三世的姓氏命名为“乔治星”，还有人提议命名为“赫歇尔星”。最后大家一致同意继承前面五大行星的命名传统，即用希腊神话中的神的名字来命名，天文学家波德建议用萨都恩神（土星，以此命名）的父亲、天神乌兰纳斯来命名新行星，后来得到了公认，中文译为天王星。

赫歇尔的另一个重大贡献是恒星计数。他有计划地、不厌其烦地将他的望远镜对准天空的每一部分，并记下这一部分里恒星的数目。通过恒星计数，赫歇尔推测银河系是一个扁平状的圆盘，太阳系可能处在银河系中心附近的地方。后来的发现表明，太阳系其实不在银河系的中心。

赫歇尔在搜寻天空时，还开创了对星团和星云的研究。在计数中，他发现，有些区域中恒星密度明显高于其他天区，这意味着该地区的恒星有成团现象。通过他的高倍率望远镜，从前被认为是星云的现在显示成一群恒星，但他认识到，有些星云是不可分解的。

1783年，赫歇尔分析了7颗恒星的固有运动，推测太阳正向武仙座方向奔行，以后在更多观测事实支持下确认了这一推测。太阳自行的发现，破除了太阳是宇宙固定不变的中心的观念。

赫歇尔的天文观测主要得益于他自制的望远镜，他不断改进和制造新的望远镜。1821年，赫歇尔与儿子一起创建了英国皇家天文学会，并成为第一任会长。1822年8月25日，赫歇尔在斯劳逝世，终年84岁。赫歇尔所发现的天王星的公转周期也是84年。

（二）海王星的发现

赫歇尔1781年发现天王星之后，天文学家根据天体力学给它编制了运行表。一开始，天王星的实际运动与运行表很符合，但到了19世纪20年代以后，之间的误差开始显现出来。到1830年时，误差就更大了，想用力学规律预测它未来的总是不成功。天王星的反常运行引起了天文学界的注意。有人怀疑万有引力定律并不普遍适用，牛顿定律对于那些远离地球的天体也许并不可靠。另一些人则提出，在天王星之外可能还有一颗未知的行星，正是由于它的摄动作用，天王星偏离正常的轨道。

如果已知一个天体，要求它对另一个天体的摄动是很容易的，反过来就不大容易了，因为该天体的一切均为未知数，不可能经过一次性计算加以确定。可能的办法是先假想一些条件，在这样的条件下计算它对天王星的摄动，再将计算结果与天王星的实际运行表对照，如果不符合，再修改条件，再计算、再核对、再修改，直至计算结果与实际运行吻合为止。这个计算量当然是十分巨大的。加上人们对是否真有这么一颗新行星没有把握，所以，搜寻着行星的工作并没有大张旗鼓地进行。

1845年10月，年仅26岁的英国剑桥大学学生亚当斯（1819年—1892年）首先得出了计算结果。他来到伦敦求见英国皇家天文台长艾里（1801年—1892年），希望他能帮助确认这颗新行星。艾里拒绝见这位无名小辈。亚当斯只好将自己的论文写成摘要请别人转交给艾里。

艾里接到了这篇论文摘要，但由于他本来就认为天王星之反常原因在于万有引力定律不完善，并非新行星的摄动作用，因此对亚当斯断言宝瓶座中一颗9等暗星就是新行星表示怀疑，论文摘要也被放置一边。

由于皇家天文台不理睬此事，亚当斯又求助于剑桥大学天文台。当时的天文台台长沙利愿意试一试，但他拖拖拉拉，直到1846年7月才开始进行观测，而且由于他手头没有该天区完备的星图，虽然两次看到了这颗新行星也未能证认出来。

与此同时，法国巴黎天文台的勒维烈（1811年—1877年）也在进行同样的研究。1846年8月31日，他完成了对新行星轨道和大小的计算，写出了“论使天王星运行失常的行星，它的质量、轨道和现在位置的决定”，其结论与亚当斯基本相同。勒维烈将论文提交给了科学院，由于巴黎没有那一天区的详细星图，他又于当年9月18日将论文寄给了柏林天文台的天文学家加勒（1812年—1910年），还附上了一封信。信中说：请您把你们的望远镜指向黄经326度处宝瓶座内的黄道的一点上，您就将在离此点约1度的区域内发现一个圆面明显的新行星，它的亮度约近9等。

9月23日，加勒收到了勒维烈的论文和信，当天晚上就将望远镜对准了勒维烈所说的天区，他仔细地记下了他所观察到的每一颗星，然后将新记录的诸星与不久前刚得到的一张详细的星图进行比较，发现在勒维烈所说的位置以外52角秒的地方有一颗星是星图上所没有的，为了可靠起见，第二天晚上他又仔细地进行了观察，发现这颗星果然移动了70角秒，正与勒维烈所预言的每天移动69角秒相符合。他心中涌起一阵狂喜：又一颗行星被发现了。

消息传到英国，也引起了皇家天文台台长艾里的震惊，他马上从资料堆里找出了亚当斯的论文摘要，才知道亚当斯早就给出了同样准确的预言。后悔已经来不及了，艾里马上发表了亚当斯一年前交给他的这份论文摘要，使科学界得以知道事情的真相。

这一次的发现比上一次天王星的发现更富有戏剧性、更加激动人心，它不是观测天文学家偶然发现的，而是数学家“笔尖上的发现”，因而引起了更大的轰动。命名问题被提了出来，因为英法两国为发现权争吵。法国科学界提议将新行星命名为“勒维烈星”。勒维烈本人明智一些，主张沿袭神话神名命名行星的做法，用海洋之神耐普顿（Neptune）命名。这一主张马上得到了广泛的认同，名字就这样定下来了，中文译为海王星。

海王星发现之后，也出现了类似的摄动反常现象。1915年，美国天文学家洛韦尔（1855年—1916年）预言海王星之外还有一颗行星，并于1930年被发现，命名为冥王星。^[1]