最近，歐洲航天局公布了來自蓋亞衛(wèi)星的第三批數(shù)據(jù)，這份公開目錄提供了超過 10 億顆恒星的位置和速度。這是我們最近的一次嘗試，試圖回答天文學(xué)中一些最為古老的問題：恒星 ( 和星云 ) 在天空中是如何分布的？它們有多少、有多遠(yuǎn)、有多亮？它們的位置和亮度會(huì)發(fā)生變化嗎？是否有科學(xué)所不知道的新種類的天體？

照片顯示的是發(fā)射星云，船底座埃塔 ( 原名阿古斯埃塔 ) ，使用南非好望角皇家天文臺(tái)的天文望遠(yuǎn)鏡拍攝。這個(gè)復(fù)雜星云中心有一顆巨大但不穩(wěn)定的恒星，未來一天它會(huì)發(fā)生壯觀的爆炸。

幾個(gè)世紀(jì)以來，天文學(xué)家一直在試圖回答這些問題。這項(xiàng)工作既費(fèi)力又耗時(shí)，用望遠(yuǎn)鏡鏡頭記錄下你看到的東西并不總是那么容易——即使你足夠幸運(yùn)，有一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡。

現(xiàn)在，想象一種新技術(shù)，當(dāng)它出現(xiàn)以后，人們才可能編制蓋亞目錄。它可以自動(dòng)地準(zhǔn)確記錄你看到的東西，并且任何人都可以使用它。

這種技術(shù)就是攝影。

這篇文章講述了攝影如何改變天文學(xué)的故事，以及數(shù)百名天文學(xué)家如何組成第一個(gè)國際科學(xué)合作組并開展完整的天空攝影調(diào)查 "天空之圖" 的經(jīng)過。那次合作歷經(jīng)長(zhǎng)達(dá)一個(gè)世紀(jì)的努力，處理了幾十年來拍攝的數(shù)千張底片，手工測(cè)量了數(shù)百萬顆恒星的位置，制成了最大的夜空目錄。

不幸的是，天空之圖項(xiàng)目剛啟動(dòng)的時(shí)候，我們收集自然世界數(shù)據(jù)的能力與我們分析它們的能力并不匹配。在這個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行的過程中，新儀器的出現(xiàn)使研究遙遠(yuǎn)天體的物理過程成為可能。通過提供創(chuàng)造新模型來解釋世界的機(jī)會(huì)，新儀器與新技術(shù)吸引了與調(diào)查項(xiàng)目無關(guān)的科學(xué)家們參與到天文研究中。

對(duì)于致力于研究 " 天空之圖 " 的天文學(xué)家來說，當(dāng)時(shí)還沒有任何模型能夠?qū)?shù)百萬顆恒星的位置抽象出來，形成一種關(guān)于銀河系如何演化的理論；相反，研究人員只有一種直覺，即攝影技術(shù)可能有助于繪制世界地圖。他們的直覺是對(duì)的，但許多天文學(xué)家花了將近一個(gè)世紀(jì)的時(shí)間、耗費(fèi)整個(gè)職業(yè)生涯才有了結(jié)果。

攝影和天文學(xué)

Carte du Ciel 攝影天空調(diào)查使用的格林尼治皇家天文臺(tái)天文望遠(yuǎn)鏡。該儀器由兩個(gè)安裝在赤道架上的折射望遠(yuǎn)鏡組成。一個(gè)用來拍照，另一個(gè)用來確保長(zhǎng)時(shí)間曝光時(shí)的準(zhǔn)確跟蹤，這對(duì)于當(dāng)時(shí)的感光性差的膠片來說是必要的。

1839 年，在尼塞費(fèi)爾 · 尼埃普斯的基礎(chǔ)上，法國人路易 · 達(dá)蓋爾發(fā)現(xiàn)了如何在金屬板上制作永久圖像。而向世界公開這一技術(shù)的是巴黎天文臺(tái)主席、天文學(xué)家兼探險(xiǎn)家弗朗索瓦 · 阿拉戈。

之前幾個(gè)世紀(jì)，天文學(xué)家一直在努力用筆記和手繪草圖記錄他們?cè)谝箍罩锌吹降臇|西。考慮到早期儀器的光學(xué)畸變，要畫出你所能看到的東西并不總是那么容易。你可能會(huì) " 觀察 " 到根本不存在的東西：可憐的意大利天文學(xué)家斯基亞帕雷利在米蘭天文臺(tái)畫出的火星上的運(yùn)河和植被，不過是一種部分歸因于大氣擾動(dòng)的光學(xué)錯(cuò)覺。只有少數(shù)訓(xùn)練有素的天文學(xué)家，如卡洛琳和威廉 · 赫歇爾，能立即在一個(gè)熟悉的星系中發(fā)現(xiàn)一顆新恒星。

攝影可以改變這一切。阿拉戈立刻意識(shí)到這項(xiàng)技術(shù)的巨大潛力：在深夜拍攝的圖像可以在白天輕松地進(jìn)行定量分析。測(cè)量可以很精確，而且可以反復(fù)檢查。

達(dá)蓋爾得到了一筆專利費(fèi)，并允許阿拉戈公開他的研究細(xì)節(jié)，這導(dǎo)致了巴黎和世界各地肖像工作室數(shù)目激增。但事實(shí)證明，達(dá)蓋爾的方法既不夠靈敏，也不夠?qū)嵱茫瑹o法捕捉到除了最亮的恒星、太陽和月亮之外的任何物體。下一代熱門的新技術(shù)濕板膠體乳劑，也好不到哪里去：在拍攝暗淡天體所需的長(zhǎng)時(shí)間曝光中，底片會(huì)變干。

天文學(xué)家不得不等了 40 年，直到 19 世紀(jì) 80 年代，非常靈敏的干照相底片才終于問世。

大彗星和大夢(mèng)想

實(shí)驗(yàn)人員在巴黎天文臺(tái)匯編 Carte du Ciel 時(shí)放大并測(cè)量照相底片上的恒星位置。木雕，1895 年。

一個(gè)千載難逢的事件使攝影正式成為天文學(xué)的常用手段。當(dāng)時(shí)，一顆巨大的彗星從地球旁邊掠過。開普天文臺(tái)的主任大衛(wèi) · 吉爾想出了一個(gè)絕妙的主意，他將新型的靈敏照相機(jī)安裝在望遠(yuǎn)鏡上。望遠(yuǎn)鏡底座隨著地球的運(yùn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，使照相板能夠穩(wěn)定地收集彗星發(fā)出的光。吉爾對(duì)照片中可見的大量細(xì)節(jié)感到驚訝，他意識(shí)到，有了合適的望遠(yuǎn)鏡和光學(xué)設(shè)備，人們可能最終能夠?qū)崿F(xiàn)天文學(xué)家的古老夢(mèng)想：繪制一幅天空地圖。

這張?zhí)炜請(qǐng)D不是手繪的：它將是精確和定量化的。這些星星可以被記錄在照相底片上，它們的數(shù)量、位置和亮度將被精確測(cè)量。吉爾寫信給巴黎天文臺(tái)的主任穆切斯，表示這一長(zhǎng)久以來的夢(mèng)想現(xiàn)在可能實(shí)現(xiàn)。

在 19 世紀(jì)末，巴黎天文臺(tái)是世界上最大的天文學(xué)中心之一。自 200 多年前成立以來，天文臺(tái)的目標(biāo)是測(cè)量地球和天空：天文臺(tái)的第一任主任、繪制了法國地圖的卡西尼在 18 世紀(jì)試圖用地球周長(zhǎng)來定義米。這是一個(gè)領(lǐng)導(dǎo)雄心勃勃的 " 天空之圖 " 項(xiàng)目的理想機(jī)構(gòu)。

制作能夠攝影的望遠(yuǎn)鏡

不幸的是，第一批照相底片非常清楚地暴露了 19 世紀(jì)望遠(yuǎn)鏡的局限性。怎樣才能使一大片天空的圖像盡可能地完美無缺呢？色差是最嚴(yán)重的問題。因?yàn)椴煌ㄩL(zhǎng)的光彎曲程度不同，所以每個(gè)物體都被彩色光暈包圍著。在這樣的圖像上不可能精確測(cè)量恒星的位置。

與此同時(shí)，在巴黎，兩個(gè)才華橫溢的配鏡師學(xué)徒亨利兄弟一直在完善適合照相底片的鏡頭，他們打磨自己的鏡子，測(cè)試自己設(shè)計(jì)的巡天望遠(yuǎn)鏡。他們的成就給穆切斯留下了深刻的印象，于是穆切斯給他們提供了一個(gè)天文臺(tái)的職位，到 1885 年，他們有了一個(gè)能夠拍攝 3x2 度的巨大天空照片的系統(tǒng) ( 足夠拍攝 24 次滿月的空間 ) 。

這時(shí)，吉爾和穆切斯確信，人們期盼已久的 " 天空之圖 " 終于在技術(shù)上可行了。穆切斯把他的項(xiàng)目提交給了科學(xué)領(lǐng)域最重要的論壇——法蘭西學(xué)院。他向博學(xué)的院士們保證：依靠世界各地的天文臺(tái)，這項(xiàng)調(diào)查可以在幾年內(nèi)以最低的成本完成。穆切斯是第一個(gè)發(fā)現(xiàn)這個(gè)老生常談的真理的天文學(xué)家：讓一個(gè)項(xiàng)目獲得批準(zhǔn)的最可靠的方法是低估它的復(fù)雜性和成本。

1887 年國際天文攝影大會(huì)的與會(huì)者。

不久之后，他和吉爾在巴黎召開了世界上第一次國際天文學(xué)會(huì)議—— 1887 年的 " 天體學(xué) " 會(huì)議——來計(jì)劃這次調(diào)查。一張會(huì)議的照片顯示，一排排滿臉胡須的男子神情嚴(yán)肅，有些人戴著帽子，拄著手杖。亨利兄弟坐在后排，離歐內(nèi)斯特 · 戈蒂埃 ( Ernest Gautier ) 不遠(yuǎn)，后者設(shè)計(jì)了亨利兄弟望遠(yuǎn)鏡和光學(xué)鏡片所需的固體支架。這張照片是由納達(dá)爾拍攝的，他是當(dāng)時(shí)著名的肖像攝影師。很難確切地說出會(huì)議地點(diǎn)；背景是墨黑的，但一定是在天文臺(tái)的某個(gè)地方。

這次會(huì)議的目的是就調(diào)查的技術(shù)參數(shù)達(dá)成協(xié)議。如果從我們現(xiàn)代的角度來閱讀會(huì)議記錄的話似乎會(huì)感到奇怪，會(huì)議記錄幾乎沒有詳細(xì)討論調(diào)查的科學(xué)目標(biāo)或測(cè)量究竟需要多精確。討論很簡(jiǎn)單 : 我們有了天文攝影這種奇妙的新技術(shù)，讓我們看看能用它實(shí)現(xiàn)什么。

描繪天空

1883 年 11 月，亨利兄弟保羅和普洛斯用巴黎天文臺(tái)的天文望遠(yuǎn)鏡拍攝了這張照片。這張照片展示了仙后座的一個(gè)星場(chǎng)，這是攝影技術(shù)用來測(cè)量和繪制天空的早期例子。該項(xiàng)目分為兩部分。在第一個(gè)項(xiàng)目 " 天空之圖 ( Carte du ciel ) " 中，覆蓋整個(gè)天空的印版被印在金屬上，供以后參考。這些照片的曝光時(shí)間為 30 分鐘，顯示的恒星暗至 14 星等。對(duì)于第二組底片 ( " 天文測(cè)量 " 項(xiàng)目 ) ，分別進(jìn)行了 20 秒、3 分鐘和 6 分鐘的三次曝光，每次曝光完，望遠(yuǎn)鏡都進(jìn)行輕微的移動(dòng)，以識(shí)別底片的缺陷。

這個(gè)項(xiàng)目的目的是識(shí)別和編目所有亮于 11 星等的恒星 ( 注意星等系統(tǒng)是對(duì)數(shù)的：用雙筒望遠(yuǎn)鏡能看到的最弱的恒星大約是 10 星等，11 星等的恒星大約是 10 星等亮度的一半 ) 。通過顯微鏡測(cè)量每顆恒星的位置，并將這些位置轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)天體坐標(biāo)系，由此從這些板塊中提取出恒星的目錄。每個(gè)板塊的面積為 2 平方度，是滿月面積的幾倍。

即便如此，覆蓋整個(gè)天空所需的底盤數(shù)量還是非常龐大：22000 個(gè)。這項(xiàng)工作由17 個(gè)天文臺(tái)合作負(fù)責(zé)。在法國，有波爾多、圖盧茲和巴黎天文臺(tái)。在北半球，英國、意大利、芬蘭和德國的天文臺(tái)參與了這個(gè)項(xiàng)目。在南半球，墨西哥、巴西、澳大利亞、智利、南非和阿根廷的望遠(yuǎn)鏡保證了較低的赤緯。每個(gè)天文臺(tái)都使用亨利兄弟設(shè)計(jì)的望遠(yuǎn)鏡以及高提耶的底座，并負(fù)責(zé)在各自的天空區(qū)域內(nèi)編錄和打印底片。巴黎和其他天文臺(tái)之間通過電報(bào)來通信 ( 一位天文臺(tái)主任在會(huì)議上說他們有 " 免費(fèi)數(shù)據(jù) "；他們的電報(bào)不需要任何費(fèi)用 ) 。

盡管哈佛大學(xué)的皮克林出席了會(huì)議，但沒有一個(gè)美國天文臺(tái)選擇參加這次調(diào)查。美國人認(rèn)為，相對(duì)于在巴黎提出的大規(guī)模工作，一個(gè)更簡(jiǎn)單、更快速的調(diào)查可能就足夠了，他們對(duì)有核心組織的大型項(xiàng)目持懷疑態(tài)度。

測(cè)量恒星

計(jì)算恒星在底片中位置的女性：多蘿西婭 · 克朗普克，穆勒斯 · 肖特，馬凱特，科尼爾，還有多芬。

巴黎天文臺(tái)成立了一個(gè)新的部門來管理這些項(xiàng)目，在 1907 年之前，他們連續(xù)召開了五次會(huì)議。調(diào)查所需的組織規(guī)模是驚人的。每個(gè)底盤會(huì)有 1000 到 2000 顆星星。每個(gè)底盤上的星星越多，他們需要的時(shí)間就越長(zhǎng)，而完整的調(diào)查需要超過 100 萬顆。計(jì)算工作是由一群年輕女性完成的，她們的任務(wù)是計(jì)算每個(gè)底盤上星星的位置。

很快，這個(gè)龐大項(xiàng)目的成本開始變得清晰起來。手工計(jì)算星星當(dāng)然很費(fèi)時(shí)，但制作參考金屬板更是一項(xiàng)耗資巨大的工作，只有少數(shù)天文臺(tái)能做到。此外，天空中比較接近太陽系平面的部分，有更多的恒星：處理這些問題的天文臺(tái)顯然抽到了下下簽來進(jìn)行這些計(jì)數(shù)工作。僅僅過了幾年，幾個(gè)天文臺(tái)就退出了這個(gè)項(xiàng)目。

然而，工作進(jìn)展非常緩慢。與此同時(shí)，天文學(xué)也在發(fā)生變化：自調(diào)查開始以后的 30 年里，儀器和光學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，使調(diào)查開始時(shí)的觀測(cè)部分過時(shí)了。

天體物理學(xué)的創(chuàng)立

1888 年 12 月 29 日拍攝的仙女座星系照片，曝光時(shí)間長(zhǎng)達(dá) 4 個(gè)小時(shí)。艾薩克 · 羅伯茨博士是一位業(yè)余天文學(xué)家，也是天體攝影的先驅(qū)，他用 20 英寸口徑反射望遠(yuǎn)鏡拍攝了這張照片。

1889 年 2 月 4 日拍攝的獵戶座星云照片，曝光時(shí)間為 205 分鐘。

1889 年 3 月 31 日拍攝的漩渦星系照片，曝光時(shí)間為 3.5 小時(shí)。

攝于 1888 年 12 月 8 日的昴宿星團(tuán)及其相關(guān)星云，曝光時(shí)間長(zhǎng)達(dá) 4 小時(shí)。

1888 年 10 月 3 日拍攝的啞鈴 ( 行星狀 ) 星云照片，曝光時(shí)間長(zhǎng)達(dá) 3 小時(shí)。

1887 年 7 月 14 日攝于狐座的環(huán)形 ( 行星狀 ) 星云照片，曝光時(shí)間為 60 分鐘。

與此同時(shí)，人們創(chuàng)造和完善了全新的儀器，使測(cè)量諸如恒星和星系中元素豐度等物理量成為可能。有了這些儀器，加利福尼亞州新建的大型天文臺(tái)創(chuàng)造了天體物理學(xué)這門新科學(xué)。在這些新領(lǐng)域工作所需的技能和知識(shí)與創(chuàng)建龐大的天空之圖截然不同。

回顧過去，一些天文學(xué)家開始認(rèn)為天空之圖項(xiàng)目阻礙了法國的天體物理學(xué)誕生。另一些人則持相反的觀點(diǎn)：它導(dǎo)致了一個(gè)新的 " 天體物理服務(wù) " 集合的誕生 ( 后來成為法國國家研究機(jī)構(gòu)法國科學(xué)研究中心、一個(gè)新的實(shí)驗(yàn)室巴黎天體物理研究所，以及一個(gè)位于法國南部上普羅旺斯的相關(guān)天文臺(tái) ) 。

為什么這些新的實(shí)驗(yàn)室如雨后春筍般出現(xiàn)？耗時(shí)耗力的 " 天空之圖 " 之外，天文學(xué)家必須有一些新的項(xiàng)目可做。事實(shí)上，有些天體物理學(xué)研究可以用天體目錄來進(jìn)行，但是提取相關(guān)信息所需的分析技術(shù)還不存在。天體物理學(xué)的新研究分散了天空之圖項(xiàng)目的資源，但調(diào)查工作仍在繼續(xù)。第二次世界大戰(zhàn)后，1964 年，國際天文聯(lián)合會(huì) ( International Astronomical Union ) 終于拍攝完了最后一塊底板，并宣布這項(xiàng)工作最終完成 ( 盡管在擴(kuò)展版的天空之圖調(diào)查中，實(shí)際只拍攝了一半的底片 ) 。

數(shù)字化，重新計(jì)算一切

不久之后，電腦就出現(xiàn)了。天文學(xué)家意識(shí)到，這些新工具可以幫助重新分析天文學(xué)調(diào)查的數(shù)千張底片，其中大多數(shù)是在 20 世紀(jì)初拍攝的。在調(diào)查開始的一百年后，天文學(xué)家在幾十本印刷卷中的 22000 個(gè)底板中手動(dòng)測(cè)量了所有恒星的位置，并將它們與第谷和希帕爾科斯等衛(wèi)星上觀察到的更亮的參考恒星相結(jié)合。他們推導(dǎo)出了 400 萬顆恒星的新位置。

這份新目錄提供的百年天空?qǐng)D片為探索天空的變化提供了一個(gè)獨(dú)特的機(jī)會(huì)。通過測(cè)量恒星的運(yùn)動(dòng)，天文學(xué)家希望能計(jì)算出星系周圍恒星的軌道，進(jìn)而計(jì)算出銀河系的結(jié)構(gòu)。由于恒星每年的移動(dòng)幅度很小，要精確測(cè)量運(yùn)動(dòng)，就需要很長(zhǎng)的時(shí)間跨度。但在隨后的幾年里，探測(cè)器和測(cè)量系統(tǒng)的改進(jìn)造就了精度的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，而用天文測(cè)量確定的運(yùn)動(dòng)精度只會(huì)呈線性增長(zhǎng)。最新一代高度精確的蓋亞目錄只需要幾年的基線，就可以輕松推導(dǎo)出 10 億顆恒星的運(yùn)動(dòng)，而不需要使用任何古老的目錄。

從天空之圖到蓋亞和歐幾里得

如今，天文學(xué)的發(fā)現(xiàn)是由大型國際合作推動(dòng)的。大多數(shù)基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目，從地面望遠(yuǎn)鏡到衛(wèi)星，已經(jīng)變得非常龐大和昂貴，沒有一個(gè)國家有希望完成它們。就像攝影術(shù)的黎明一樣，每一種新的探測(cè)器技術(shù)都驅(qū)使天文學(xué)家試圖回答一個(gè)簡(jiǎn)單的問題：用這種儀器觀察宇宙會(huì)是什么樣子 ?

今天，我們正在慢慢地、循序漸進(jìn)地在所有電磁波譜的波長(zhǎng)上建立宇宙的高分辨率圖像。其中一些圖像被賣給了資助機(jī)構(gòu)，它們關(guān)心一些特定的科學(xué)問題，但現(xiàn)實(shí)總是另一番景象。大多數(shù)天文學(xué)家希望，大量的數(shù)據(jù)可以導(dǎo)致的意想不到的新發(fā)現(xiàn)。 ( 引力波和基本粒子正在向我們講述有關(guān)宇宙內(nèi)容的新故事。 )

" 天空之圖 " 項(xiàng)目可能沒有突破性的發(fā)現(xiàn)，但它可能是科學(xué)領(lǐng)域旨在利用新技術(shù)的大型國際合作的第一個(gè)例子。它遇到了現(xiàn)今這類項(xiàng)目通常會(huì)遇到的問題：成本超支、人力和計(jì)算能力不足、集中管理遲鈍、天文學(xué)家之間的程式?jīng)_突。

盡管存在這些問題，我們還是獲得了對(duì)宇宙獨(dú)特的 ( 不可否認(rèn)的是有缺陷的 ) 觀察。《天空之圖》為未來的天文發(fā)現(xiàn)提供了寶貴的指示。蓋亞和未來旨在繪制宇宙地圖的項(xiàng)目，比如歐幾里得項(xiàng)目，都在當(dāng)年始于巴黎的路線上前進(jìn)。