作者:龎鈞翰

審定:鄭弼升、嚴天浩

柯蒂斯的時空背景

  從古羅馬時期開始,天文學家就觀測到夜空中有些發亮的物體,似乎不是單顆的星星,而是一小片發著光、像雲一樣的天體,因此,當時的天文學家們就將這種天體稱作"星雲"。在天文學發展至20世紀初時,天文及物理學家普遍認為,星空中的星雲產生的原因不外乎兩種:

第一種是大量的宇宙的灰塵,在受到恆星的光芒照射後,反光而產生的現象。

第二種是"星團"。星團一般是由數百顆恆星所組成的恆星聚集體,通常越靠近銀河系中心越容易發現星團的存在,雖然,有時在接近銀河系中心的星團,可能是千萬顆恆星所構成的,但因為銀河系中心的恆星普遍偏老,故無論視覺還是真實亮度,都不會太亮。

不過,從20世紀初開始,各國裝設有該時代高解析度天文望遠鏡的天文台,都不約而同地拍攝到仙女座星雲疑似是圍繞著其中心旋轉的影像。但為何仙女座"星雲"會有這樣,不同於以往天文學家所認為的,灰塵和百千顆恆星所組成的樣貌?實在是令當時地天文學家不解,只索性給像仙女座星雲這樣形貌的天體,取了"螺旋星雲(Spiral Nebula)"這個彆扭的名字。

圖 螺旋星雲的樣貌照片。

圖片來源:www.britannica.com/science/spiral-galaxy

圖 萊特和康德的"島宇宙"想像圖。

圖片來源:www.lib.uchicago.edu/collex/exhibits/they-saw-stars-art-and-astronomy/early-representations/original-theory-or-new-hypothesis-universe/

18世紀末期,英籍荷蘭裔天文學家古德利克(John Goodricke),利用他20餘年的短暫生命,研究了天空中許多會一閃一閃、有亮度變化的天體,被他發現的其中一種亮度會短時間突然增加數倍的星體,是年老的恆星在快消失前,產生強烈燃燒、放光,而在短時間內產生強光又快速消失的放光現象 ,這種天體後來被天文學界稱作"新星(Nova)"。並且,天文學家觀察到,因為銀河系越靠近中心處有越大量的恆星,所以越靠近銀河系中心,會有越多年老到即將消失的恆星,因此新星數量也應會是全銀河系中越多的。

GIF檔 新星(衰亡而短暫發出強光的恆星)的亮光突然產生的樣子。

圖片來源:www.nasa.gov/feature/goddard/2020/nasa-missions-help-reveal-the-power-of-shock-waves-in-a-nova-explosion

柯蒂斯的經歷

圖 柯蒂斯與天文望遠鏡的合照。

圖片來源:www.lindahall.org/heber-curtis/

1827年,柯蒂斯出生於美國密西根州馬斯基岡市的一個軍人家庭,原本從中學畢業後,他打算繼承家業進入海軍軍校就讀,但因為體質條件不符合入學標準,所以作罷。1889~1893年,柯蒂斯進入密西根大學(University of Michigan)就讀文學學士,在學期間他也基於個人興趣的因素,選修部分天文學和代數學課程。並在1894年獲得了文學碩士學位。

1893~1896年,柯蒂斯前後在密西根州底特律的中學,和加州納帕市的院校教書。起初,他所教授的科目以希臘及拉丁等古典文學為主,但在加州教書的後來幾年,他開始轉任教授數學和基礎的天文學;造成柯蒂斯教學路線上的改變,多半和他常在當地的利克天文台當義工有關,或許是在擔任義工的過程中,柯蒂斯培養了濃厚地業餘天文學興趣。

1897~1898年,柯蒂斯在天文台的"默默付出",終於受到主管的重視並讓柯蒂斯正式到利克天文台(Lick Observatory)擔任研究助理。也在擔任天文台研究助理的期間,柯蒂斯被利克天文台負責人 - 賀登(E. S. Holden)鼓勵並推薦去更深入地學習並從事天文學研究。因此,柯蒂斯也在1898~1900年,回到母校密西根大學補修一些,天文學專業的學分。

圖 銀河下的利克天文台照片。

圖片來源:www.flickriver.com/groups/lickobservatory/pool/interesting/

1900年柯蒂斯獲得高額的獎學金,得以在維吉尼亞大學(University of Virginia)攻讀天文學博士。並在隨後的1902年,以彗星的運動軌道為題發表畢業論文,獲得天文學博士學位。1902~1920年,柯蒂斯回到利克天文台正式擔任研究人員,主要以星雲為研究主題。並在許多螺旋狀星雲中,發現了以往只多會在銀河系中心地帶出現的新星。

截至1920年為止,柯蒂斯及哈伯等人發現了仙女座星雲出現了共4顆短暫而強烈發光的新星,並經過亮度隨觀測距離之變化,發現仙女座星雲距離銀河系中央,居然約為98萬光年。

柯蒂斯發現的問題

1920年代,柯蒂斯在自行發現仙女座星雲中的新星之際,也調閱了自19世紀中葉的天文學家,歷年所觀察的新星數目,他驚訝地發現到仙女座星雲中,每8年新星地出現數量居然高達1顆,比對在銀河系中心位置的新星出現頻率,也才不過每10年出現約1顆 。這讓他感到訝異,畢竟當時的宇宙理論中,新星只會出現大量地出現在恆星最密集處,也就是當時所認知的宇宙中心 - 銀河系中心。

圖 肉眼所見的仙女座級仙女座星雲(/系)。

圖片來源:www.taea.tn.edu.tw/NoticePage.aspx?a748ed8e-889b-4538-be71-92fa6fb3ccd9

讓柯蒂斯感到詫異的是,因為在當時的天文學界普遍認為,銀河系是宇宙的中心,並且因為萬有引力的緣故,越靠近銀河系中央包含恆星等天體會分布地越多,而因年老的恆星短暫強烈地發光而產生的新星,則是會在天體分布最密集處大量地產生。

圖 從墨西哥下加州可以觀測到的,星空中銀河(即銀河系中心)與仙女座星系(/星雲)的各別位置與明亮狀態。

圖片來源:www.theventanaview.com/baja-night-sky/

圖 以銀河系為例的星系結構示意圖。

圖片來源:www.courses.lumenlearning.com/astronomy/chapter/the-architecture-of-the-galaxy/

柯蒂斯的聯想與假設

當柯蒂斯盡心思索著,仙女座星雲的廬山真面目時,他靈機一動聯想到了,從19世紀末以來,高倍率的天文望遠鏡所拍攝到的仙女座星雲照片,都顯示出它好似是由成群的物質圍繞著中心旋轉的系統。他便想到這種形狀,不就很像是銀河系的樣貌嗎?

圖 1900年代,葉凱士天文台(Yerkes Observatory)拍攝到的仙女座星雲(/星系)照片。

圖片來源:www.discovermagazine.com/the-sciences/january-1-1925-the-day-we-discovered-the-universe

這讓柯蒂斯自然而然地聯想到,銀河系越靠近中央區域的位置,會分布有越多的天體。

緊接著柯蒂斯又靈機一動地想到,英國天文學者的萊特和德國哲學家康德,在18世紀中葉提出的"浪漫"宇宙假想模型 - 島宇宙假說。即,宇宙不只是存在著銀河系這單一個星系,而是由一群一群、散布在宇宙中的星系所組成的 ,就如同分布在汪洋大海上的島嶼群一樣。而我們所觀察到的仙女座星雲為何如此地暗、如此地小,是因為銀河系距離仙女座星雲太遙遠的緣故。

圖 恆星的視覺亮度,隨觀察者與該恆星距離愈遠而越低的示意圖。

圖片來源:www.flynt.pbworks.com/w/page/9198213/apparent%20and%20absolute%20magnitude

基於以上聯想到的兩大原因,柯蒂斯假設,仙女座星雲不是由宇宙灰塵和少數恆星組成的星雲,而是一個和銀河系一樣、由許多恆星所組成的獨立星系,因此,在仙女座星雲的中心區域,也會像銀河系一樣每年都會有許多的新星產生。

柯蒂斯的驗證方法與結論

柯蒂斯首先以「島宇宙」的思考角度,向學界宣稱他發現了仙女座星雲是銀河系的另一個星系,這引起了認為銀河系就是全宇宙的夏普力不滿,因此兩人在1920年,在美國自然史博物館,展開了史稱"天文學世紀大辯論"的辯論會。夏普力主要認為該時代望遠鏡的解析度不高、影像很模糊,所以,夏普力認為柯蒂斯僅是將作為宇宙灰塵團的仙女座星雲,誤判為星系。由於兩者當時手握的證據都不足夠,使得該辯論最後不了了之。

為了蒐集更多證據,以說服夏普力等認為銀河系就是全宇宙的學者,身為「島宇宙」學派的哈伯和柯蒂斯等人,必須證實,像是仙女座星雲等螺旋狀的星雲,其實是由與銀河系差不多數量的恆星所組成的星系。因此,驗證這些星雲是否是由大量的恆星所組成?這些螺旋狀星雲的質量,是否可與銀河系媲美?就是需要研究、嘗試證明的方向。這樣才能夠證明,"宇宙是由許多星系所組成"的想法是正確的。

柯蒂斯在分析儀器所蒐集到的、在仙女座星雲中,這4顆突然變很亮的天體之光譜後,發現它們的光譜全都是各種顏色的光都有的連續光譜,因為只有自行會發光的恆星,才有這種連續光譜,所以只會反光而發亮的宇宙灰塵及行星等天體,是不會有連續光譜的。因此,柯蒂斯確認了仙女座星雲是由恆星所組成的。

圖 各色溫恆星對應的光譜圖

圖片來源:https://www.itsfun.com.tw/恆星光譜分類/wiki-2243004-9302183

熟悉該時代最高解析度天文望遠鏡的哈伯,也協助柯蒂斯統整了包含威爾遜山天文台及擁有當時頂尖天文望遠鏡的天文台,在1923~1928年的仙女座星雲觀察資料,並且從有恆星獨具的連續光譜之觀察對象中,選定該星雲中心處約370顆和太陽亮度相近,及比太陽更亮的恆星觀測資料,著手進行仙女座星雲的亮度、體積和質量的推算。

首先,哈伯使用恆星真實亮度,受觀測者與恆星間距離影響而降低之關係,推算出仙女座星雲中心與銀河系的中心之單位體積的亮度是差不多的。

再者,哈伯利用和太陽亮度與質量的比例關係當作基準,套用了恆星亮度與其質量成正關係之數學式 ,算出了仙女座星雲的質量約為2.4億個太陽質量。

雖然哈伯估算出的仙女座星雲之質量,皆只有銀河系的一千分之一左右,但考慮到天文學上的計算誤差,可以確定這樣一個可和銀河系的尺度媲美的天體,是無法被銀河系中心的引力吸引在銀河系的範圍中公轉的!

圖 1924年,哈伯用以分析的仙女座星系之核心與週期性亮度變化天體(造父變星),所在位置。

圖片來源:www.reddit.com/r/space/comments/aav8k0/today_in_1924_less_than_100_years_ago_edwin/

圖 星系受內部質量中心引力影響,作公轉運動的示意圖。圖中的藍~黑圈範圍表示,可受到星系質量中心引力影響,而讓天體作公轉的範圍,其中a為星系質量中心引力造成的重力加速度。而圖中的黑~綠~紅圈表示,已遠到沒辦法被星系的質量中心引力箝制,而以u和c速率遠離星系質量中心的天體。

圖片來源:<Rotation of Galaxies within Gravity of the Universe, by A. Annila> pp. 4

最後柯蒂斯和繼承他意志的哈伯, 從他們的觀測數據以及計算中,得出了一個震驚大江南北的結論 - 由於仙女座星雲的中心,存在著媲美銀河系亮度與質量的超大質量中心,再加上先前多次從影像中可以觀察到的,該星雲中心有恆星圍繞且公轉的現象,因此,判斷仙女座星雲應該是不屬於銀河系,而且尺度不亞於銀河系的另一個星系。並推斷出"宇宙是由許多星系所組成"的想法。

柯蒂斯造成的影響

1929年,哈伯出版了<作為恆星系的螺旋星雲編號M31>(<A spiral nebula as a stellar system, Messier 31>)一文闡述了,哈伯何以確認仙女座星雲是位於銀河系外的"龐大恆星聚集體" - 星系?也因為這篇文章的關係,天文學界正式將仙女座"星雲",正名為仙女座"星系",這也直接確認了柯蒂斯認為"仙女座星雲是另一個星系"的想法是正確的,而不是如夏普力所認為的,仙女座星雲只是個存在於銀河系中的小天體。另外,依據現今美國太空總署的測量數據,仙女座星系實則位於距離太陽系253萬光年處。

其實從1923年,哈伯隱約發現仙女座星雲的位置遠得如此詭異後,受到柯蒂斯的"島宇宙"思維的啟發,開始懷疑其他的螺旋狀星雲也是星系。因此,哈伯另外再觀察、整理了41個距離太陽系的遙遠程度,不下仙女座星系的螺旋狀(Spiral)星雲。並在1929年,哈伯發表了他確認仙女座星系其實是銀河系之外的另一個星系後,這41個被他一直當作壓箱寶資料的星雲,也陸陸續續被他撰寫論文來正名成了星系。哈伯這震驚大江南北的舉動,讓現今的人類們了解到,我們-甚至我們所在的太陽系在宇宙中,實在是非常渺小的!

順帶一提的是,在哈伯提出仙女座星系是另一個星系的論文文章的同年,他也將長期研究,但因時機未熟而沒有公開的研究成果發表了出來 - 經過偵測這些星系的光訊號,哈伯發現各星系正在以不等的速度遠離銀河系,因此,宇宙的整體空間是在擴張中的。看來,人類若要探索到真正的"世界盡頭"幾乎是不太可能的啊!