作者:龎鈞翰

審定:鄭弼升、嚴天浩

赫歇爾的時空背景

早在古埃及時代,人類就發現天空中有些星星自己會發光,並且四季中必會有一定的時間出現,因此便將這種會自行穩定發光的星星稱為恆星(現今稱為Star;古代則稱作Fixed star),也將其用以作為水路上的航行輔助及判斷尼羅河的氾濫時間。隨著科技的發展,科學家們也確認了,太陽是離地球最近的一顆恆星。

1543年,義大利的哥白尼(Nicolaus Copernicus)寫出了一本完整著述,提出太陽中心說(簡稱日心說;Heliocentrism)最早期的完整模型,但礙於宗教界因認為地球是宇宙中心給予的壓力,一直到他過世後,哥白尼的親戚才將此著作予以匿名發表,並且在序文中寫上"這只是假想"這樣避重就輕的文字;不過到了17世紀初期,伽利略使用自製的望遠鏡觀測天象後,發表了諸多的著作支持哥白尼的日心說,但也因此被打入了文字獄乃至鬱鬱而終。

圖 地心說(左圖)與日心說(右圖)示意圖。

圖片來源:www.actforlibraries.org/difference-between-heliocentric-and-geocentric-models-of-the-universe/

17世紀中葉的英國展開了一系列的科學革命,其中以牛頓(Sir Isaac Newton)提出的萬有引力學說(Newton's law of universal gravitation)最為知名,該學說指出天體(Astronomical object)彼此間會有繞著特定質點公轉的現象,而只要是具有巨大質量或者多個質點構成的質量中心,就有可能造成這樣的力學現象。但牛頓也是抱持日心說信念的學者,認為行星以外的太陽和其他恆星均是不動的。

圖 天體因質點中心的萬有引力,而產生公轉現象的示意圖。

圖片來源:www.burro.case.edu/Academics/Astr221/SolarSys/Formation/starform.html

赫歇爾的經歷

圖 赫歇爾的肖像。

圖片來源:<Mapping the Milky Way: William Herschel’s Star-­Gages, by Todd Timberlake> pp. 6

1738年,赫歇爾(Frederick William Herschel)出生於,現今位於德國北部但當時與英國結盟成共主邦聯(Personal union)的漢諾威王國(Kingdom of Hanover),他的家族是相當有名的音樂世家,他也因此前半生安份地繼承家業指揮樂團及做樂器演奏。

由於自幼學習英語的緣故,赫歇爾在1755年因為英法七年戰爭(The Seven Years' War)的緣故,隨著漢諾威地軍樂隊前往英國服務,但隨後因漢諾威在戰爭中失守,流落異鄉的赫歇爾便成為了逃兵,一直到1766年流落到英國巴斯(Bath, England)當地的八角禮拜堂(Octagon Chapel),默默地當樂團指揮和管風琴手,以在地音樂家地身分默默存錢過活。

有人說:"人一閒、錢一多,就要靠休閒來揮霍、殺時間!"在教堂當安逸的樂手日子久了以後,赫歇爾居然開始對天文產生了興趣,1771年開始,甚至動手做起來觀察浩瀚星空的天文望遠鏡,赫歇爾的妹妹卡洛琳(Caroline Herschel)也受到他的影響,加入了他天文學同好的行列,也因此卡洛琳便心甘情願地成了赫歇爾的助理!  

圖 赫歇爾和協助他做天文觀測紀錄的卡洛琳之畫像。

圖片來源:www.sciencephoto.com/media/225822/view/artwork-of-william-and-caroline-herschel

1773~1779年,赫歇爾拿著他自製的"厚工玩物" - 望遠鏡開始做起天文觀察,並出版了一些業餘研究的報告,獲得了巴斯當地的天文學界人士讚賞,並邀請他加入了巴斯自然哲學協會(the Bath Philosophical Society)。在1782年甚至發表了翻轉他人生的研究報告 - 發現天王星(Uranus),這樣的一個成就不但讓當時的英國國王,同時也是準漢諾威國王的喬治三世(King George III)赦免了赫歇爾的逃兵之過,甚至任命他為皇家天文官(The King's Astronomer),給予他每年200 英鎊的豐厚報酬,讓他能盡情的觀察天文現象、發表研究,甚至大量製作先進的望遠鏡外銷至各地。

圖 赫歇爾所製作的200 英尺常天文望遠鏡的復原圖。

圖片來源:<Mapping the Milky Way: William Herschel’s Star-­Gages, by Todd Timberlake> pp. 7

赫歇爾發現的問題

在開使任職皇家天文學家後,赫歇爾調閱了從17世紀末第一任皇家天文學家弗蘭斯蒂德,到赫歇爾所在的18世紀末之格林威治天文臺的天文紀錄,共約100年的觀測資料,赫歇爾居然驚訝地發現太陽和另外六顆恆星 - 天狼星(Sirius)、大角星(Arcturus)、五車二(Capella)、漸台二(β-Lyrae)、畢宿五星(Aldebaran)和南河三星(Procyon),每一年在同一天的位置居然都不同,而且,在和1800年前古希臘天文學家依巴谷(Hipparchus of Nicaea)的紀錄比較起來,這些恆星的座標位置平均起來居然每年已經偏移了20~33分(角度單位)左右 。

這個發現無疑是對日心說莫大的挑戰,因為若宇宙中的運行規律,是如同日心說所說的:"恆星的位置固定不變,但由於地球會自轉和繞著太陽公轉,所以天上的恆星看起來才 會有在移動的感覺。"那麼,根據地球每一年會繞太陽一圈,在每一年地球回到相同位置時,天上看到的恆星位置應該都要一樣才對。但赫歇爾所觀察到的現象,卻並非如此。

圖 如何以觀測的角度變化,來推測恆星發生移動的示意圖。

圖片來源:www.physics.stackexchange.com/questions/365571/how-are-the-transverse-velocity-and-proper-motion-of-a-star-related

赫歇爾的聯想與假設

赫歇爾想到,我們太陽系中的觀察者看到恆星正在移動,有可能是因為太陽系在移動,或者這些恆星自行在移動所造成的。就好像坐在火車A上時,當我感覺到隔壁的火車B正在往後移動,可能是因為火車B在往後移動,也有可能是因為火車A在往前開。

圖 以觀察移動的火車外之靜止風景,說明相對運動對位在移動物體內的觀察者,所會觀察到的景致示意圖。若從移動的火車往外看實際上是靜止的物體,會產生它們有朝火車行進相反方向移動的視覺觀感。

圖片來源:www.eyesonjason.com/vs_p8_self_motion_and_optic_flow.html

赫歇爾因此便假設,這6顆千年以來可從地球觀察到有偌大位移的恆星,會有這種每年的位置不同的狀況,乃是因為太陽本身是處於移動的狀態,故使得每年這6顆恆星從地球看起來的所在的位置有著持續改變的現象。

赫歇爾的驗證方法與結論

倘若赫歇爾的假設屬實 - 即恆星的位置改變乃是由於太陽正在移動所造成的,那麼這些發生位置改變的恆星,他們每年改變的方向以及位移角度,應該都是一致的,即太陽若往前移動了一段距離,則從太陽系的我們所觀察到的恆星位置,應該都會往後移動和太陽往前位移量一樣的大小。

圖 若太陽移動的話,從地球上可觀察到恆星會產生同方位移錯覺的機制示意圖。

圖片來源:https://forum.hkas.org.hk/thread-4460-1-1.html

因此,赫歇爾便在星空中選定了6顆相較於古希臘天文學家依巴谷(Hipparchus of Nicaea)的紀錄,有移動現象跡象恆星 - 天狼星(Sirius)、北河二星(Castor)、南河三星(Procyon)、北河三星(Pollux)和軒轅十四星(Regulus)、大角星(Arcturus),作為觀察對象,看它們是否有每年固定方向與角度的移動?

在結合了赫歇爾自己10年來的觀察紀錄,加上天文學家馬斯基林(Nevil Maskelyne)共50年的研究紀錄,赫歇爾整理、比對後發現,這6顆恆星每年的最大平均移動距離大約為赤道緯度(Right ascension)1.40弧秒,而且都是朝著天球南極的方向移動。

圖 赤道坐標系統定義示意圖。所謂的"天球",就是假想地球以外的所有星星、月亮及太陽,是被高掛在地球外層的假想球面上運動的座標系統。其中赤道緯度是以赤道經度所在的紅圈圈為0度(即是地球的赤道所在位置,外圍的天球位置),而在地球北極、南級對應到的天球位置,是為赤緯+(若是天球北極)/-(若是天球南極)90度,或稱天球北極。

圖片來源:www.zh.wikipedia.org/wiki/%E8%B5%A4%E9%81%93%E5%9D%90%E6%A8%99%E7%B3%BB%E7%B5%B1

圖 在天球座標系統上,可以看到的星星位置示意圖。

圖片來源:www.en.wikipedia.org/wiki/Declination

赫歇爾由此得到了一個結論 - 太陽並非靜止不動的天體,因此也間接否定了把太陽當作宇宙中心的日心說。

赫歇爾的經歷

赫歇爾在他1783年發表的文章 - <論太陽與太陽系的自行現象:以弗蘭斯蒂德先生的時代以來發生的數處恆星座標變化談起>(<On the proper motion of the sun and solar system with an account of several changes that have happened among the fixed stars since the time of Mr. Flamstead>)中指出,他發現太陽是一個正在朝向英仙座(Perseus)星群方向移動的恆星,這也代表了日心說的正確性完全被否定 - 即太陽並不是宇宙的中心。

赫歇爾發現的問題

在赫歇爾否定了日心說的正確性後,他發現有一個迫切的問題等著他去解決 - 既然他自己在1783年的文章中指出了,太陽事實上並非宇宙的中心,那他必須在茫茫星海中,找到一個正確的中心點以"安定人心",並且合理解釋宇宙中的天體間互相公轉運動的機制。

赫歇爾會這麼想的原因在於,因為依照萬有引力定律來看,所有的天體和星球如果不是處於質點的中心位置,並定會繞著一個質點做公轉運動,因此,在天文觀測中

,應該是可以找到這個被眾天體所圍繞、用以作為公轉的中心地帶的。

赫歇爾的聯想與假設

赫歇爾仰望著星空,尋找著得以勝任宇宙中心角色的位置。在赫歇爾的腦中,這個宇宙公轉中心依照萬有引力定律的規則,必定有相當驚人的引力,而且這股引力場是能夠吸引大量的恆星和天體聚集的地方。赫歇爾在浩瀚的夜空中,搜索到了一個似乎能滿足上述條件的區域,或許是宇宙中心位有可能的位置 - 銀河的最中央,那個成群恆星密集分布、耀眼而閃爍的位置!

圖 歐洲南天天文台(The European Southern Observatory),在所在地 - 德國加興(Garching bei München)所拍攝到的銀河照片。其中,恆星分布最密集的銀河中心(Centre of milky way)被赫歇爾當作是宇宙的中心點。

圖片來源:www.eso.org/public/czechrepublic/images/eso1242e/?lang

赫歇爾便假設了,太陽系、所有的恆星以及恆星周圍的行星系,應是繞著宇宙的中心做公轉的。並且,既然銀河中心的恆星數量及密度從天文望遠鏡觀測起來,是數量最多、密度最大的,那麼銀河的中心便極有可能是被所有天體用以作為公轉中心的宇宙中心質點所在。

赫歇爾的驗證方法與結論

為了增加銀河是宇宙中心想法的可信度,赫歇爾決定,畫出全新的宇宙結構圖(事實上,是銀河系圖),赫歇爾發明了恆星計數法(Star-gaging method)來繪圖。恆星計數法基本上,是依據"每個恆星的發光亮度基本上都是相同的,不過離地球愈遠、這個光芒在地球上可以看到的亮度就愈低。"這個假設來進行計數和繪圖的。

圖 赫歇爾所畫的,史上第一張銀河系結構圖。

圖片來源:修改自<Mapping the Milky Way: William Herschel’s lStar-­Gages, by Todd Timberlake> pp. 6的附圖

赫歇爾最終,在他的測繪圖中指出了,宇宙的中心是在銀河的中央,並且我們所在的太陽系也是位於銀河系接近核心的區域。
赫歇爾造成的影響

1785年,赫歇爾結合太陽並非宇宙中心,以及太陽系是銀河系中的行星系這兩個研究假說的結論,認為銀河乃是眾多圍繞著行星的恆星所組成的恆星系,並畫出了史上第一張銀河系形狀圖,而且太陽系位於銀河系之中,發表在他出版的論文<關於天堂何以構築>(<On the construction of the heavens>)一文中。

赫歇爾從鄉下音樂家轉型成皇家天文學家的歷程,實在是太過具有傳奇性,甚至引導了他的妹妹卡洛琳及兒子小赫歇爾(John F. W. Herschel),也走上了天文學家之路。他這樣史詩級的成就也被後世的人們歌頌為"恆星天文學之父"。

不過在進入20世紀後,赫歇爾所提出的銀河系模型被美國天文學家夏普力(Harlow Sha歐pley)用現代的天文望遠鏡的觀察數據修正,憑著地球公轉至太陽的不同位置時,可觀察到的銀河系中恆星數目和密集度之不同,再帶入"恆星的光芒若離該恆星越遠,看起來會愈暗"之數學關係式,確認了太陽系應該是位於銀河系的邊陲地帶,算出太陽系距銀河系中心6.5萬光年,而銀河系的直徑應該為33萬光年。進而修改成為了現今我們在博物館及教科書中,常見的銀河系樣貌。

從赫歇爾畫出銀河系的結構圖後一直到19世紀末葉,人類很長一段深信銀河系變是整個宇宙。直到1920年代的哈伯等人發現銀河系外的星系後,才打破了這個誤解。

圖 現今的天文學家所畫出的銀河系結構圖。紅點的位置是太陽系所在處。

圖片來源:www.earthhow.com/milky-way-galaxy/