银河系的真正发现

威廉·赫歇尔出生在德国的汉诺威城，父亲是一名乐师。在兄弟姐妹6人中，威廉排行第三。他和父亲一样有音乐才华，15岁起就在军乐队里当乐手，志向是当作曲家。对于乐音的研究，使他对数学发生了兴趣。接着，他又对光学感兴趣了，并由此产生了用望远镜窥视宇宙的强烈欲望。此外，他对语言也非常爱好。

1756年，欧洲历史上著名的七年战争来临。战争的起因是英国与法国争夺殖民地以及普鲁士与奥地利争夺中欧霸权；结局是普鲁士战胜奥地利，成为欧洲大陆的新兴强国；英国战胜法国，获得法属北美殖民地，并确立了英帝国在印度的优势地位。威廉·赫歇尔厌恶战争，遂设法于1757年脱离军队，偷渡到英国，先是在利兹，后来又到了英格兰西南部的游览胜地巴斯。音乐天赋帮助威廉在巴斯站住了脚。到1766年，他已经成为当地著名的风琴手兼音乐教师，每周指导的学生多达35名。

威廉·赫歇尔对天文学的兴趣与日俱增。1773年，他用买来的透镜造出了自己的第一架折射望远镜，焦距1.2米，可放大40倍。接着，他又造了一架9米多长的折射望远镜，并且租了一架反射望远镜来进行对比，结果对后者更为满意。从此，他就潜心于研制反射望远镜了。经过无数次的尝试和挫折，他终于成了制造天文望远镜的一代宗师。他一生磨制的反射镜面达400块以上，最后还建成一架口径1.22米、镜筒长12米的大型金属镜面反射望远镜（图42），这在200多年前实在是一宗令人惊叹的伟大业绩。

图42　赫歇尔最大的那架反射望远镜，口径1.22米，镜筒长12米

威廉有个比他小12岁的妹妹，叫卡罗琳·赫歇尔（Caroline Lucretia Herschel，1750—1848），在兄弟姐妹中排行第五。1772年，威廉从英国巴斯回到德国故乡汉诺威待了一段时间，然后卡罗琳便随他到了巴斯。卡罗琳终身未嫁，一辈子忠实地当着哥哥的助手。她那详尽而从不间断的日记，记录了威廉整整50年的工作史，其中谈到当威廉因磨镜工作紧张得放不下双手的时候，卡罗琳就亲自喂年长的哥哥一口一口地进食的动人情景。他们兄妹两人都很长寿，威廉80岁后还在观测天空，卡罗琳则一直工作到90多岁。她干得很出色，最终也成为一位颇有声望的天文学家。

威廉·赫歇尔是天文学史上的一位巨人。他破天荒地发现了太阳系中的一颗新行星——天王星。在此之前，人们一直以为土星代表了太阳系的边界，天王星的发现则使人们所认识的太阳系的直径陡然增加了一倍。这件事在社会公众中激起的热情经久不息，以至于1/3个世纪之后英国著名诗人济慈（John Keats，1795—1821）还写下了这样的诗句：

于是我感到宛如一个瞭望天空的人，

正看见一颗新的行星映入他的眼帘。

从古到今，星星都是中外文人歌颂的对象，还记得学过的有关星星、银河、宇宙的诗文（如曹操《观沧海》、杜牧《秋夕》等）吗？请重温一下，也可搜索更多美妙的诗篇（如屈原《天问》、郭沫若《星空》等），试着思考，诗歌中的星星蕴含哪些意义？

以此来表达一种极度欢快惊喜的心情。在太阳系内，赫歇尔还发现了土星的两颗卫星和天王星的两颗卫星。

国王乔治三世为威廉·赫歇尔的成就感到高兴，便任命他为御用天文学家。从此，威廉就不必再靠音乐谋生，而可以专心致力于天文研究了。1782年下半年，威廉应国王邀请，从巴斯移居位于伦敦西面、温莎东侧的白金汉郡达切特，1786年4月又移居温莎北面不远处的白金汉郡斯劳。他建造口径1.22米的大型望远镜的梦想，正是在斯劳实现的。这架望远镜是18世纪天文望远镜的顶峰，随时都会来人瞻仰，国王乔治三世和外国的天文学家就是常客。威廉将国王给他的津贴全部用于维护保养望远镜以及支付工人的工资，他的经济状况依然拮据。直到1788年50岁时娶了一位有钱的寡妇，情况方始改观。

威廉最伟大的科学成就属于恒星天文学的范畴，因此人们公正地将他赞誉为近代“恒星天文学之父”。他首创了大规模的双星研究工作；观测、记录和研究了大量的“星团”和“星云”。他于1783年巧妙地发现了太阳也有自行，论证了太阳正以17.5千米/秒的速度朝着武仙座的方向前进。他说道：“我们无权假设太阳是静止的，这正和我们不应否认地球的周日运动一样。”这样，赫歇尔就比哥白尼又前进了一大步。哥白尼否定地球是宇宙的中心，却又用太阳代替了它。而根据赫歇尔的发现，人们就会很自然地得出结论：太阳也不是宇宙的中心；也许，整个宇宙根本就没有中心吧？

赫歇尔希望明了“宇宙的结构”——其实用今天的话来说，他所了解的还只是“银河系的结构”而已。他采用的方法是，用他那些第一流的望远镜朝着天空的各个方向观测，并且一颗一颗地数出在各个方向上所能看到的星数。显然，如果要在望远镜中看到全天的恒星并数出全部的数目，那么工作量就会大得根本无法完成。于是，赫歇尔挑选了683个较小的区域，它们散布在英国可见的整个天空中。从1784年起，他开始进行恒星计数工作。在1083次的观测中，他一共数出了117 600颗恒星。他发现越靠近银河，每单位面积天空中的恒星数目便越多，银河平面内的星星最多，在垂直于银河平面的方向上星星最少。这与赖特的理论正相符合。

正是通过这样的计数工作，赫歇尔确定了我们置身于其中的这个庞大恒星系统的外貌：它确实大致呈透镜状，其直径大致为太阳到天狼星距离的850倍，厚度则为太阳到天狼星距离的150倍。当然，那时对于天狼星本身的实际距离尚一无所知。后来弄清，赫歇尔的这些数字仍比真实情况小了许多。

由于这个庞大恒星系统的大部分星星都位于银河中，因此人们便将这透镜状的整个系统称作“银河系”了。可以说，赫歇尔是第一个真正发现银河系的人，是他首先大致确定了这个星系的形状、大小以及其中的星数。他根据实际计数的结果推测，银河系中恒星的总数也许有若干亿，但比起如今我们所知道的，这又是一个太小的数字。

20世纪初，荷兰天文学家卡普坦提议，应该在现代天文学的基础上重新进行恒星计数工作，并根据在各个方向上求得的星数来确定银河系的形状。为了使工作量不至于大得无法胜任，卡普坦决定在天空中选取一些天区，仅在这些“选区”中进行恒星计数。1906年，他提出了大致均匀分布在天空中的206个选区，由全世界许多天文台协同工作，中国上海的佘山天文台也参与其中。这时人们已经知道一些近星的距离，又有了赫歇尔时代尚不具备的天文照相技术，因此计数结果比赫歇尔有了很大改进。1922年，即卡普坦临终的那一年，他已能据此提出一种银河系的模型，其样式与赫歇尔的颇为相似，只是尺度要比赫歇尔的模型大得多：银河系的直径大约是40 000光年，厚度约7500光年，太阳大致就在这个恒星系统的中央。然而，这个数字依然太保守。

如今我们知道银河系的形状大致如图43。它由2000多亿颗恒星组成，外形宛如乐队中用的大钹，中央鼓起的部分叫银核，四周扁薄的部分叫银盘。整个银河系的直径在10万光年上下，太阳大致位于它的对称平面上，离开银河系中心大约2.7万光年。人类自己身处银河系中观看银河系内的星星，宛如一个躲在巨钹中的人在环视这个巨钹的四周边沿。这个巨钹内的人只能看见有一个完整的环带围绕着自己，而无法直接看出它的全貌。这正是：“不识庐山真面目，只缘身在此山中。”

图43　银河系示意图。（甲）侧视图，（乙）俯视图

人们是怎样确定银河系大小的呢？这也是测定天体距离方面的一个重要课题，我们在后面还要继续谈论它。现在，让我们先把眼光放得更远一些，来看看银河系以外的广阔天地吧。