星空的琴弦14-哥白尼體系最後的懸案：為甚麼觀察不到必定存在的恆星週年視差？布拉德雷：終其一生卻是悲劇

第一個發現恆星相對位置變化的人是哈雷 這個名字我相信你一定不會陌生 因爲誰都知道哈雷彗星不是嗎 哈雷與牛頓是同時代的科學家 也是牛頓的好友 哈雷的一生做了許多值得紀念的事情 例如啊他發明了第一臺潛水鐘 他通過對死亡率的數學統計研究 第一個提出了人壽保險的數學模型 他出錢替牛頓出版了《原理》一書 這是哈雷最引以爲傲的事情 只是啊他唯獨沒有做那件 後世的人都以爲他做了的事情 就是發現哈雷彗星 實際的情況是 牛頓有一次給了哈雷24顆彗星的資料 讓哈雷分析一下規律 結果哈雷用牛頓的萬有引力定律一算啊 發現這24顆彗星中 這顆彗星每76年就會迴歸一次 下一次迴歸是1758年 哈雷得活到96歲才能等到 可惜哈雷只活到了86歲 哈雷在他的《彗星天文學概論》中寫道 如果孩子們在1758年又看到這顆彗星 別忘了這是我計算出來並預言的 於是呢在哈雷死後 這顆早就被發現觀測記錄過的彗星 就被命名爲哈雷彗星 1717年 61歲的哈雷發表了一篇論文 他指出經過對托勒密時期的星表 與現代最新的星表的細細比較 1700多年來天狼星 大角星南河三這三顆恆星的位置 肯定發生了變化 並且絕對不是由於觀測誤差引起的 這三顆恆星都是全天中 最亮的幾顆星星之一 也是離地球相對最近的幾顆恆星之一 這篇論文一出 猶如一顆炸雷 在天文學界引起了極大的反響 幾千年來 恆星恆定不動是如此根深蒂固的思想 它代表的是宇宙的完美 上帝的偉大 大批的天文學家 都開始研究對比不同時期的星表 結果事實毫不留情地粉碎了 上帝創造的永恆 恆星確實在動 這被天文學家稱之爲自行 哈雷的這一發現 極大的激勵了另一群年復一年 孜孜不倦地測量恆星精確位置的人 這群人正在致力於解決 哥白尼體系最後的懸案 大家還記得嗎 開普勒、伽利略、牛頓這些猛將的出現 使得針對哥白尼的任心說的一個個質疑 都被成功的解決掉了 但是呢 卻依然還有一個最基本的質疑 卻始終是懸而未決 那就是爲什麼 觀測不到恆星的週年視差呢 如果哥白尼是對的 那麼這個週年視差就必定存在 可是卻從來沒有人觀測到過 這就是哥白尼體系的最後懸案 二百多年來 不知道有多少執着的天文學家 折戟在這個問題上 辛勞一生卻竹籃打水一場空 英國人布拉德雷 也是這樣一位執着無比的天文學家 他可能是 所有對此問題癡迷的天文學家中 最執着的一位 是他的死磕精神 終於爲這個懸案帶來了突破 1727年的一個冬日夜晚 布拉德雷走進了一棟 位於倫敦郊外的小房子 這是他的私人天文臺 一架特製的望遠鏡 從房子的天窗伸向了夜空 這架望遠鏡長達五米多 垂直於地面 鏡筒直指天頂 固定的紋絲不動 在他的墓鏡上 裝了當時最先進的螺旋測微器 這也被稱作千分尺 螺旋測微器 不但可以用來測量物體的長度 如果安裝在天文望遠鏡上 稍作改進 就可以極爲精確的測量恆星的 視位置 這天晚上 布拉德雷穩穩的坐在了觀測椅上 耐心的等待着一顆又一顆的恆星 通過望遠鏡的視察 然後準確的讀出測微器上的讀數 記錄在本子上 這項枯燥的工作 布拉德雷已經做了一年了 他長期追蹤天龍座伽馬星等幾顆恆星 用來記錄的數據本已經有了厚厚的一疊 大量的數據表明 恆星在視場中的位置 確實存在着週期性的擺動 但是布拉德雷卻高興不起來 因爲這個擺動與週年視差不是一回事 這種擺動有幾個特點 第一 凡是他觀測的恆星全都有這種擺動 第二 振幅大約是40角秒 也全都一樣 第三 振幅的順時大小會隨地球在軌道上 運行的方向而變化 布拉德雷對這一現象百思不得其解 他一度懷疑是儀器出了問題 但又找不到問題出在哪裏 事情的轉機 出現在布拉德雷的一次坐船旅行的途中 他坐的船在泰晤士河上航行 他一直盯着船的風向標 他看到風向標會隨着船的轉向而轉向 但是他馬上就意識到 其實風向標的絕對指向並未改變 因爲風向並未改變 改變的只是風向標相對於船體的方向 也就是風速與船速合成的結果 於是布拉德雷就頓悟了 地球就是一艘繞日航行的船 來自恆星的光線就是風 地球公轉的方向改變 會導致恆星在市場內的位置偏轉 就這樣 布拉德雷發現了天文測量上的一個 極爲重要的因素 爲了讓你更好地理解光行差的原理 我在這裏還要再舉一個例子幫助你理解 設想一下你在雨中奔跑 你會感覺雨滴是傾斜着打到你的臉上的 你跑得越快傾斜的角度越大 而你停下來的時候 則發現雨滴其實是垂直下落的 這個例子就說明 觀測者與被觀測對象做相對運動時 觀測到的方向就會產生變化 方向變化的幅度 與兩個對象各自運動速度之比相關 地球繞日公轉的速度 只是光速的萬分之一 所以 光行差效應引起的光線偏轉角 那也只有20角秒 這麼小的偏轉 在螺旋測微器發明之前 是不可能被發現的 自從布拉德雷發現了光行差之後 他就信心倍增 他認爲恆星視差的幅度 一定是因爲小於光行差所造成的正幅 所以恆星的週年視差 淹沒在了光行差裏面 現在 他只要把光行差造成的擺動影響 作爲一項數據的基本修正值 就一定能讓真正的週年視差現象 浮出水面 執着的布拉德雷 不斷的改進升級着自己的望遠鏡 年復一年的投入到了 枯燥的恆星定位工作中 但是這個故事的結局呢 可能還是會出乎所有人的意料 不是喜劇 而是悲劇 布拉德雷持續進行了20年的觀測 最終他發現 自己依然沒有發現恆星的週年視差 而是發現和證實了另一個 類似於光行差的恆星視位置的 基本影響因素 那就是地球的張動 我解釋一下 地球由於受到月球引力的影響 自轉軸有一個18.6年的週期擺動 這個擺動的幅度是9到10角秒 這就是地球的張動 恆星的週年視差 再一次被淹沒在了地球的張動中 悲情的布拉德雷 此時已經是54歲的老人了 他不再有年輕時那麼旺盛的經歷 和良好的勢力 終其一生依然沒有發現恆星的週年視差 布拉德雷就像是一個悲情英雄 爲後人栽下了樹 自己卻沒有成到梁 好在呢 光行差和張動這兩項發現 已足以讓他名垂青史了 更重要的是啊 如果沒有布拉德雷發現的光行差和張動 德國人貝塞爾就不可能最終完成 那個自哥白尼以來 一代又一代天文學家的夙願 布拉德雷之後 又有一大批的天文學家 投入到了這場艱苦的恆星視差戰役中 他們發明了各種各樣的望遠鏡 比如英國的天文學家 就發明了一種深景望遠鏡 就是在深入地下27米的景中 安裝一架長長的垂直於天空的望遠鏡 各種用於測量角度的精密儀器 也被不斷的發明出來 除了我前面提到的螺旋測微器 還有油絲測微器、量日儀等等 測量精度被不斷的提高再提高 但恆星視差這塊硬骨頭啊 卻始終啃不下來 又過了90年 德國的職業數學家兼天文學家貝塞爾 終於在1838年12月 跑完了持續300多年的 接力賽的最後一棒 天鵝座61星的週年視差 被測定爲0.31角秒 今天的測量值爲0.294角秒 在貝塞爾觀測天鵝座61星的那些年中 德國人斯特魯維在俄國也正盯着支宇星 而英國人亨德森在非洲的好望角 則盯着三提星 也就是半人馬座α星 實際上啊 他們三個人幾乎同時正確測出了 這幾顆星星的週年視差值 誰先誰後還真的講不清楚 只不過呢 貝塞爾是最先把他的成果 在國際天文界發表了出來 因此呢 這個桂冠就落在了他的頭上 反對哥白尼日心說的最後一個堡壘 就這樣被攻破了 自此呢 延續了300多年的托勒密與哥白尼之爭 終於被徹底畫上了句號 哥白尼完勝 但頑固的羅馬教廷依然要再過150年 纔可承認哥白尼是對的 天鵝座61星的週年視差一旦被測定 我們就可以用簡單的三角形知識 計算出它距離地球有多遠 但是在這個計算中 需要用到一個我們熟悉的常數 也就是日地距離 這是我們在之前提到過的天文學第一問題 它是我們認識宇宙大小的最關鍵的一把鑰匙 那現在呢 請跟我回過頭 再去看一下天文學家們 在這個問題上探索的艱辛之路