人物簡介
1738年生于德國，１７５８年遷居英國。赫歇爾利用全部業(yè)余時間制作望遠鏡，經(jīng)過千錘百煉，他終于成為制造望遠鏡的一代宗師，他一生磨制的反射鏡面達四百多塊，還造成一架口徑１．２２米，鏡筒長達１２米的大型金屬反射望遠鏡。人物貢獻
�。保罚福蹦�，赫歇爾發(fā)現(xiàn)了太陽系中的第七顆行星——天王星，還發(fā)現(xiàn)了土星的兩顆衛(wèi)星和天王星的兩顆衛(wèi)星。�。保罚福材�，赫歇爾編制成了第一個雙星表，他還發(fā)現(xiàn)了多數(shù)雙星不是表面上的“光學雙星”，而是真正的“物理雙星”。
�。保罚福衬辏招獱柊l(fā)現(xiàn)了太陽的自行，他得到的太陽運動方向和現(xiàn)代測量數(shù)據(jù)相差不到１０度。
�。保罚福丁ⅲ保罚福�、１８０２年，赫歇爾先后三次出版星團、星云表，記錄了２５００個星云和星團。
赫歇爾最重大的貢獻，莫過于對銀河系結構的研究，他是第一個確定了銀河系形狀大小和星數(shù)的人。
威廉有一個妹妹，卡羅琳·盧克雷蒂婭·赫歇爾 (Caroline Lucretia Herschel，1750年3月6日—1848年1月9日)，也是個出色的天文學家。
天王星問世
1781年太陽系的第七顆大行星——天王星的問世，徹底改變了人類對太陽系的認識。發(fā)現(xiàn)者威廉·赫歇耳從此蜚聲天下，從一個愛好天文學的樂師變成了精通樂理的天文學家。為了紀念 200年前這一劃時代的發(fā)現(xiàn)，英國格林尼次海軍大學于1981年4月25日舉辦了一場別開生面的“紀念赫歇耳音樂演奏會”。當時禮堂前是車水馬龍，會場上是春意盎然，而那天演的所有節(jié)目，不論是交響樂還是奏鳴曲，也無論是協(xié)奏曲還是田園詩，全都是當年赫歇耳創(chuàng)作的作品。所有與會的音樂家和天文學家，眾口交贊赫歇耳是世上少有的“音樂界和天文學界的雙星”。的確，赫歇耳正是雙星研究的奠基人，他確證了太空中的確存在著形影不離、互相繞轉(zhuǎn)著的“星界鴛鴦——雙星”，他自己在一生中則發(fā)現(xiàn)了848對雙星，并證實了維系著雙星的是牛頓的萬有引力理論，其運動則遵循著開普勒定律。
赫歇耳的貢獻幾乎涉及到天文學的所有領域。在太陽系中，除了天王星外，他還發(fā)現(xiàn)了4顆衛(wèi)星：天衛(wèi)三、木衛(wèi)四、土衛(wèi)一和土衛(wèi)二。通過數(shù)十年如一日1083次單調(diào)枯燥的恒星計數(shù)工作，從60萬顆恒星的測量證明了銀河系的存在，并探知了它的形狀、結構與大小，盡管限于當時的條件，他的一些結論并不完全正確，但無疑他是真正的“恒星天文學之父”，是開創(chuàng)銀河系研究的先行者。他所記錄下來的星團與星云多達2500個，并發(fā)現(xiàn)了一種新的天體——行星狀星云。通過對恒星運動的研究，他指出太陽在銀河系中也在運動著，即太陽率領著它的“子孫”，以每秒幾十千米的巨大速度向著武仙座與天琴座毗鄰的方向疾馳而去。他還是最早發(fā)現(xiàn)太陽有紅外線發(fā)射的科學家，紅外天文學也是由此發(fā)端起來……
赫歇耳對于天文望遠鏡的貢獻更是無與倫比的，也是制造望遠鏡最多的天文學家。從1773年起，他親自動手磨制鏡頭就磨了半個世紀。這是一項極為枯燥又繁重的體力加智慧的工作，要把一塊堅硬的銅盤磨成規(guī)定的極其光潔的凹面形，表面誤差比頭發(fā)絲還要細許多倍，中途還不能停頓，其難度可想而知。所以有時他要連續(xù)干上10多個小時，吃飯時只能由他的妹妹來喂他，而且開始時他連連失敗了200多次，以至他的一個弟弟終于失去了耐心，頹傷地離他而去，直到1774年他才嘗到了勝利的歡樂，制成了一架口徑15厘米、長2.1米的反射望遠鏡，天王星正是它的突出成果。在英王喬治三世的大力支持下，通過3年多的不懈努力，終于在 1789年他51歲時，制造出了稱雄世界多年的最大望遠鏡，它的鏡筒直徑達1.5米，差不多要3個人才能合圍，鏡筒長12.2米，豎起來有4層樓高，光是鏡頭就重2噸！這架像巨型大炮似的望遠鏡在使用的第一夜，就發(fā)現(xiàn)了土星的第一顆衛(wèi)星——土衛(wèi)二，2個月后又發(fā)現(xiàn)了土衛(wèi)一。
赫歇耳于 1738年生于德國的漢諾威（當時它屬英國管轄）的一個音樂世家，為逃避兵役，18歲時流浪到了英國本土，正是他的音樂才華使他擺脫了饑餓的折磨。為了事業(yè)，尤其是制造望遠鏡所需的巨大支出，他到50歲時才娶了一位非常富有又全力支持他工作的寡婦瑪麗為妻，所以他的獨子約翰出世時，他已是54歲的老人了。 1821年英國皇家天文學會成立時，他眾望所歸地成為首任會長，后來還被冊封為爵士，1822年他與世長辭。有趣的是，他84歲的壽命恰恰正好就是他所發(fā)現(xiàn)的天王星繞太陽公轉(zhuǎn)一周的時間。
赫歇耳一家可稱為天文世家，他的妹妹卡羅琳·赫歇耳也是一位了不起的女性，她終生未婚，與哥哥朝夕相處50年，赫歇耳的許多發(fā)現(xiàn)中也有她的一份功勞，她獨自也有不少成就：發(fā)現(xiàn)了14個星云與8顆彗星，對星表做了修訂，補充了561顆星，直到1848年98歲時才去世。
赫歇耳的獨子約翰·赫歇耳也是將門虎子，后來還是英國皇家天文學會的創(chuàng)始人之一，發(fā)現(xiàn)的雙星多達3347對，發(fā)現(xiàn)了525個星團星云，記下了南天的68948顆恒星，1849年撰寫的《天文學綱要》是對當時天文學的最好總結，對全世界都有深遠的影響。
恒星天文學之父——威廉·赫歇爾
本文摘自《天文愛好者》雜志2009年第2期，本文作者：文寬，責任編輯：李良恒星天文學之父
歐洲計劃在2009年發(fā)射“赫歇爾”(Herschel)空間望遠鏡，其鏡片直徑達3.5米，遠超哈勃空間望遠鏡(鏡片直徑為2.4米)，它將成為有史以來最大的空間望遠鏡。威廉·赫歇爾是18世紀著名的天文學家，他不僅發(fā)現(xiàn)了天王星，還開創(chuàng)了恒星天文學，他研究并假設(某些)星云是由恒星組成，提出著名的恒星演化學說；他不僅在天文望遠鏡的發(fā)展史上留下永不磨滅的足跡，而且是當時最偉大的觀測天文學家，為恒星天文學的建立奠定了第一塊基石，在天文學史上他被譽為“恒星天文學之父”。
出身于音樂世家
弗里德里希·威廉姆·赫歇爾(Friedrich Wilhelm Herschel)是德國人，后來在天文學史上以其英國化的名字威廉·赫歇爾(Willim Herschel)和“著名英國天文學家”的頭銜聞名于世。他的祖先在德國大都從事園藝、釀酒等手工業(yè)，他的父親于1731年舉家遷往一個名叫漢諾威的小鎮(zhèn)，他父親在這里加入了禁衛(wèi)軍樂團服役，當一名樂師，他還會吹奏雙簧管。1738年11月15日威廉·赫歇爾在漢諾威出生了，當時漢諾威是英王喬治二世的屬地(然而它并不真是大英帝國的組成部分)。老赫歇爾生了6個子女，威廉·赫歇爾排行第三，他的上面還有大姐蘇·赫歇爾和長兄雅可布·赫歇爾，下面有二弟亞歷山大·赫歇爾、三弟迪特里希·赫歇爾和妹妹卡羅琳·赫歇爾。
赫歇爾從小就喜歡音樂，并很早就顯露出這方面的天賦，他4歲時就跟從父親學習拉小提琴，后來學習吹奏雙簧管，并很快成為一名出色的雙簧管演奏者。由于家境遇到困難，他16歲時離開了學校，與父親一樣加入了禁衛(wèi)軍樂團，在那里擔任小提琴和雙簧管演奏員。1756年，英國和法國之間爆發(fā)了歷史上的“七年戰(zhàn)爭”，德國也卷入其中；第二年，法國占領了漢諾威。赫歇爾不堪忍受戰(zhàn)爭之苦，于是他作
為一個逃亡者渡海偷偷跑到英國的倫敦。他的音樂天才使他在英國獲得了成功，隨著在英國知名度的擴大，他的地位也不斷提升，先后擔任過音樂教師、演奏師，并成為有一定知名度的作曲家。他的生活開始有了好轉(zhuǎn)大約是在1760年，主要是他的音樂才華受到了倫敦達林頓勛爵的賞識，經(jīng)他推薦，赫歇爾受聘于達勒姆郡軍樂團。l766年，他被任命為巴思時髦的八角教堂的風琴手。由于有了穩(wěn)定的收入，赫歇爾熬過了生活中最困難的時期，不再終日為生計而奔波了。
赫歇爾在演出和作曲之外，有了一此閑暇的時間，赫歇爾努力學習英文、意大利文拉丁文，同時廣泛閱讀牛頓、菜布尼茨等科學家的自然哲學、數(shù)學、物理學著作。1772年，赫歇爾作為訪問者回到了漢諾威，當時他父親已經(jīng)去世，他說服了母親把妹妹卡羅琳·赫歇爾帶到英國幫他操持生活。青年赫歇爾愛好廣泛。由于他對音樂理論的探討涉獵了數(shù)學，進而又接觸了光學。據(jù)說他父親不僅精通樂理，而且是一名天文愛好者，赫歇爾曾在父親的指下，對天文知識有著濃厚的興趣。在父親的引導下，赫歇爾對夜空中的許多星座都非常熟悉。赫歇爾具有強烈的求知欲，這促使他從樂器演奏轉(zhuǎn)入對音樂理論的研究。為了研究樂理，他開始鉆研劍橋的羅伯特—史密斯的《注音》。結果他意外地從該書提供的線索中，買到了史密斯撰寫的兩卷本的經(jīng)典著作《光學》，這是一部能夠在理論和實踐上制作望遠鏡和顯微鏡的引導性光學著作，其中一章名為“望遠鏡對恒星的發(fā)現(xiàn)”，這些內(nèi)容引起了赫歇爾從事觀測和研究天體的強烈愿望和雄心。
自制精良的望遠鏡
自古以來，人類對宇宙具有自然天生的敬畏和好奇心，這在赫歇爾身上有充分的展不。1773年，赫歇爾讀了一本科學普及作家詹姆斯·弗谷森(James Ferguson．1710-1776)寫的一本暢銷書——《對牛頓爵士的原理的天文學解釋》，有趣的是，該書作者與他同時代的許多人一樣，(書中)認為所有行星以及恒星都是“為其合理的居民提供食宿”的，甚至彗星也可能住滿了能夠欣賞上帝手藝的生物，還有人認為彗星上“為折磨那些可惡的罪犯而充斥著永恒的冷熱交替”。受此影響， 赫歇爾甚至要把關于宇宙的這一通俗見解推廣到太陽上去，一開始他相信太陽像行星一樣是涼的，它是被云層包圍著，云層保護著太陽上的居民不受其外層火球的傷害，太陽黑子是人們透過火球的間隙所瞥見的云層。俗話說“百聞不如一見”，為了親眼看清史密斯和弗谷森書中所描述的那些天體，赫歇爾最初用折射式望遠鏡觀察天體，但他感覺不理想，為了為他探索宇宙奧秘尋找更合適的利器，后來他轉(zhuǎn)向了反射式望遠鏡。
由于買不起昂貴的望遠鏡，他決定自己動手研磨透鏡，親自制造反射式望遠鏡。從1773年起，赫歇爾在妹妹卡洛琳的幫助下，開始研制他的高精度天文望遠鏡。卡羅琳待哥哥非常好，她既聰明又勤快，主動悉心料理家務。有一次，赫歇爾連續(xù)磨了16個小時的望遠鏡鏡頭，忙得他連吃飯都顧不上，飯是由妹妹一口一口地喂下去的。那時，要制作口徑較大的望遠鏡，其主鏡只能用金屬材料來磨制。為此，他們在家中架起了熔煉白青銅合金的熔爐，煉制出了一種反射率高達60％白青銅合金。兄妹倆不分晝夜，廢寢忘食，把空余時間幾乎全部用在了制造反射鏡上面。經(jīng)過兩百來次的失敗，他們終于制成了可用的反射鏡面，而且望遠鏡口徑愈做愈大，也愈來愈精密。說起來，制作望遠鏡的一切都是赫歇爾親自張羅、設計或動手操作。他首先選用不同配比的銅、銻和錫合金為反射鏡鏡坯，經(jīng)過精心打磨和拋光，制成聚光用的反射鏡面。
1774年赫歇爾成功地安裝了一架口徑15厘米，焦距2.1米，放大40倍左右的牛頓式反射望遠鏡。通過這架望遠鏡，他第一次成功地看到獵戶座大星云，并清楚地辨認了土星的光環(huán)。更重要的是，通過不斷地實踐和總結，他終于掌握了一套磨制拋物面反射鏡的技術。從那以后，他除了晚上不知疲倦地做巡天觀測之外，還時常利用白天的時間磨制望遠鏡鏡面。1776年，他陸續(xù)磨制成功口徑分別為15厘米、51厘米、122厘米的巨大反射式望遠鏡鏡面。當時反射式望遠鏡的焦點多采用牛頓式，即在主焦點之前的光軸上，斜置一平面副鏡，將焦點折射在鏡簡上端的一側。赫歇爾為了減少折射光的損失，將主鏡略微偏置，使星光經(jīng)主鏡反射后，焦點不會匯聚在光軸上，而是斜到鏡筒上端的一側。這樣，可以省去牛頓式的平面副鏡，從而提高聚光的效率。因為這一光學系統(tǒng)是赫歇爾發(fā)明的，所以后世稱之為赫歇爾焦點，而按照這種光學系統(tǒng)制成的望遠鏡稱為“赫歇爾望遠鏡”。
赫歇爾自制望遠鏡探索星空有他崇高的目標。他決心要找到困擾人類已久的天文學難題的答案：宇宙究竟有多大?其結構如何?銀河是否有邊界?若它的范圍是有限的，那么又有多大?要解決以上這些難題，就必須知道恒星的距離。因此，赫歇爾開始了他那漫長艱辛但卻偉大而輝煌的星空探索旅程。1787年，赫歇爾為了判斷他的望遠鏡的視距是否真的已經(jīng)貫穿了銀河，即觀測更遙遠的昏暗天體，他決心再制造一架威力更大的望遠鏡。然而，因為他所要求的鏡面口徑實在太大，以至于超過了當?shù)馗鱾�鑄造廠的加工能力。因此，赫歇爾不得不決定在家里的地下室里親自動手制造。他將分量不同的銅、錫、銻混合起來，再加熔鑄磨研。但是第一面反射鏡在冷卻時破裂了。赫歇爾并沒有氣餒，又做了第二次嘗試，可惜這一次熔化了的金屬流出了容器，溢到地板上。赫歇爾再次受到了失敗的打擊。但是不久以后，赫歇爾在耐心細致的卡洛琳的支持和鼓勵下，以百折不撓的毅力，雖幾經(jīng)失敗，但不斷總結經(jīng)驗和教訓，改進工藝方法，最后終于澆鑄出合格的大鏡面鏡坯。以此裝配成的望遠鏡的性能，竟然比當時格林尼治天文臺所用的望遠鏡還要優(yōu)異。赫歇爾在一生中制作的各種大大小小的望遠鏡達數(shù)十架之多。
發(fā)現(xiàn)天王星引起皇家重視
18世紀70年代末，赫歇爾在卡洛琳的支持和協(xié)助下，開始用他自制的望遠望進行星空“巡視”觀測。其主要內(nèi)容是從他的住處逐個觀察分布于北天球上亮于4星等的亮星。整個過程歷時19年，被后人稱作第一期星空巡視。1780年，赫歇爾又開始了第二期星空巡視。經(jīng)過兩次初步的觀測，在1781年赫歇爾又開始進行他的第三次全面觀測夜空的歷程。
1781年3月13日晚，赫歇爾像往常一樣，用自制的那架口徑15厘米的反射望遠鏡觀測星空。他每次觀測都是聚精會神，不放過任何或許會帶來新發(fā)現(xiàn)的可疑現(xiàn)象。當把望遠鏡轉(zhuǎn)向雙子座的時候，他注意到雙子座有一顆很陌生的星，比較亮，可是在星圖上卻查不到它。他改用400多倍和900多倍的目鏡仔細觀測之后，肯定了這不是一顆恒星。因為，望遠鏡的倍率再大，恒星看起來始終是個星點兒，而目前的這個天體，呈現(xiàn)為一個藍綠色的小球面形。隨著目鏡更換，看上去直徑變得愈來愈大，形象卻變得模糊了。為慎重起見，赫歇爾沒有聲張，而是連續(xù)10個夜晚密切地關注著這顆小星。他逐漸發(fā)現(xiàn)該星每天在緩慢地移動，雖然不易覺察出來。他最初向皇家天文學會報告說，新發(fā)現(xiàn)了一顆彗星。彗星一般都是拉得比較長的橢圓軌道，在離太陽愈來愈近的時候還會“長”出尾巴來�？墒�，這顆新天體卻不是這樣，它的邊緣一直比較清晰，絲毫沒有彗尾特征，而且它的軌道似乎接近圓形。
不久，赫歇爾根據(jù)所得到的觀測數(shù)據(jù)，計算出它的軌道近似圓形，其距離太陽比土星遠出約一倍。這時他意識到自己發(fā)現(xiàn)了一顆新行星。后來，法國天文學家拉普拉斯算出了它的軌道，距離太陽19.18天文單位(1天文單位為日地平均距離，約等于1.49億千米)。經(jīng)過一段時間的觀測之后，天文界終于確定這是我們太陽系里的一顆新行星，它與太陽之間的距離，比當時所知最遠的行星土星的距離遠了一倍。
赫歇爾發(fā)現(xiàn)新行星的消息引起了極大的轟動。它后來被命名為天王星(取自希臘神話中土星父神的名字)，就這樣赫歇爾一舉成名『他從一個小城鎮(zhèn)的音樂家和天文愛好者變成有重大發(fā)現(xiàn)的天文學家。后來，他又發(fā)現(xiàn)了兩顆天王星衛(wèi)星(即后來命名的天衛(wèi)三和天衛(wèi)四)和土星的兩顆衛(wèi)星(土衛(wèi)二和土衛(wèi)一)，加上先前惠更斯發(fā)現(xiàn)的一顆和卡西尼發(fā)現(xiàn)的四顆，使得土星有了7顆衛(wèi)星。赫歇爾測定了土星的自轉(zhuǎn)周期，并證明它的環(huán)也在旋轉(zhuǎn)。其實，在赫歇爾發(fā)現(xiàn)天王星以前，已有幾位天文學家曾觀察過天王星。但因被束縛于陳腐的觀念，即認為太陽系的范圍只到土星為止，所以，有的人雖然多次看到它最后還是當作恒星而讓它逃之夭天。
1781年當年，赫歇爾的好朋友華特生博士推薦他進入皇家學會�；始覍W會頒給他柯普萊獎章以表彰他發(fā)現(xiàn)天王星，并且接納他為皇家學會會員。赫歇爾兄妹的天文成就引起了英王喬治三世的注意，喬治三世也曾是漢諾威人，非常愛好天文。他于1782年親自接見了赫歇爾，寬恕了赫歇爾年輕時檀離漢諾威軍隊的過錯，任命赫歇爾為他的私人天文學家，并為赫歇爾提供年薪三百畿尼(Guine，舊英國金幣，1畿尼=1.05英鎊=2l先令，最初是用幾內(nèi)亞的黃金鑄造的，因此得名)，以使他專心致志從事天文學研究。自此，赫歇爾放棄音樂，一心致力于他所鐘愛的天文學。赫歇爾兄妹先是遷往溫莎附近的達切特，1786年又遷往斯勞。他制造了一系列的大望遠鏡(一些還賣給其他國家)，進行了很多開創(chuàng)性的研究和觀測，1816年他被冊封為爵士。赫歇爾成為專業(yè)天文學家時已經(jīng)43歲，從未受過正規(guī)的高等教育，他的淵博學識、數(shù)理基礎、冶煉技藝等全憑勤奮自學得到。在他的職業(yè)生涯中，他共制作過400多架望遠鏡，其中最大最著名的是一臺40英尺(12米)長、口徑49.5英寸(1.26米)的反射望遠鏡。
開創(chuàng)恒星天文學
赫歇爾最早研究了成雙的恒星——雙星，他很關注彼此靠得極近的兩顆恒星，其實大約一個半世紀以前有人已發(fā)現(xiàn)這種成對的恒星。當時人們認為這些星之所以靠得那么近，是因為它們幾乎恰好位于同一條視線方向上，而實際上，“雙星”中兩顆恒星相距很遠。倘若情況真如此，那么，與較遠的那顆星相比，較近的這一顆就應該顯示出視差位移。無疑，有時情況正是如此。赫歇爾對此作了大量觀測，發(fā)現(xiàn)兩顆星都未顯示出視差位移的現(xiàn)象。根據(jù)它們的運動方式，赫歇爾作出這樣的結論“它們不是看上去粘在一起，而且實際上也的確靠得很近�！敝敝�1793年，在大量觀測的基礎上，他確信成對的兩顆恒星是在相互繞轉(zhuǎn)。赫歇爾一生共發(fā)現(xiàn)了800多對這樣的“雙星”——他這樣稱呼它們，這個名稱沿用至今。赫歇爾非常仔細地觀測了那些光度有變化的恒星，他是第一個系統(tǒng)地報道變星的人。
隨著赫歇爾制作望遠鏡水平的不斷提高，他的望遠鏡。洞穿“空間的能力也越來越強。赫歇爾發(fā)現(xiàn)了越來越多的星云，甚至以前從未知曉的星云，都被他那威力巨大的望遠鏡捕捉到了。由于當時的觀測設備的限制，天空中遙遠的星云在人們看來不過是發(fā)光的斑點而已，一些天文學家經(jīng)過觀測，發(fā)現(xiàn)星云所發(fā)出的光呈乳白色，就認為星云不過是數(shù)不清的星聚集而成的。另外有些天文學家則認為，星云就是會發(fā)光的流體構成的。而赫歇爾發(fā)現(xiàn)，大口徑望遠鏡非常適合用來解決關于星云本質(zhì)的天文學基本問題。
從1781年到1782年的冬天，赫歇爾對星云基本構成的研究興趣愈發(fā)濃厚。經(jīng)反復仔細觀測，他發(fā)現(xiàn)，他的高倍率望遠鏡能夠辨別出幾個星云團中的恒星個體。這一發(fā)現(xiàn)使觀測者認為，星云之所以看過去是一片白茫茫的東西，是由于觀測的裝備不夠先進，只要有更精良的觀測設，他們一定能分辨出其他星云里的恒星。這項發(fā)現(xiàn)促使赫歇爾在1784年和1785年提出所有的星云都是由恒星組成的理論。其主要內(nèi)容是：不必再用發(fā)光的奇妙流體來解釋星云了，存在不能解析的星云是因為它們離我們太遙遠的緣故；赫歇爾提出存在著由眾多恒星聚集為巨大天體的假設。
赫歇爾常動手描繪星云星團草圖，并通過排列草圖順序展示星云凝縮成恒星的過程。他在1811年指出，盡管天文學家本身的生命跨度有限，但他們?nèi)匀豢梢猿晒Φ亓私庥梢ψ饔盟鶎е碌男窃谱兓�，為此，他們必須選擇處于不同的演化階段的星云樣本，然后將其按年齡進行分類和排序。他還這樣說過：“在相鄰的兩個之間也許沒有多大差別(在分類排列時相鄰的星云)，但如果我可以做個比喻的話，這就像如果我們對一個人進行年度記述的話。它就能給出這個人從剛出生的嬰兒到其盛年的成長過程一樣�！�
赫歇爾當時通過把恒星密集的球狀星團和疏散的星團做比較，發(fā)現(xiàn)這種結構形式還可以顯示出引力作用的大小。他提出推論，經(jīng)過一段時間后，疏散星團必然會集中形成一個密集的星團和幾個更緊密的星團。也就是說，恒星疏散的星團是由于星團處于早期發(fā)展階段，而恒星密集的星團則屬于星團的晚期階段。因此，赫歇爾提出天體有“時間的變化”(即演化的)，這一說法后來成為一個基本的科學概念。1785年，赫歇爾還發(fā)表了自己的天體演化理論。他指出，在廣闊無垠的太空中，恒星最初是分散的，但隨著引力的作用，漸漸聚集起來，形成更加密集的星團。
系統(tǒng)觀測恒星探究宇宙結構
當年伽利略剛剛把望遠鏡指向夜空，就發(fā)現(xiàn)了很多用肉眼看不見的恒星，銀河那白茫茫的光帶原來充滿了恒星。后來，赫歇爾把望遠鏡每改良一次，就能發(fā)現(xiàn)一大批更多、更暗的恒星。他通過對星空所做的系統(tǒng)觀察發(fā)現(xiàn)，恒星在有些方向上多，有些方向上少。但他并不滿足于這種定性的判斷。1784年，赫歇爾決心要數(shù)一數(shù)天上的星星究竟有多少，并且想了解在不同的地方，星星的數(shù)目究竟是怎樣分布的。要數(shù)清天上的星星，那可不是一件容易的事。耐心的赫歇爾首先把天空均勻分成幾百個區(qū)域，然后數(shù)出每一個區(qū)域中用
望遠鏡能看到的恒星。結果，赫歇爾發(fā)現(xiàn)，越靠近夜空中的那條乳白色的光帶一一銀河，每單位面積上的恒星數(shù)目就越多，在銀河的方向上達到最大值，而在與銀河平面垂直的方向上，星星數(shù)目最少。
對于這種現(xiàn)象應該怎樣解釋呢?赫歇爾經(jīng)過研究分析認為，恒星均勻地分布在形狀如一個“透鏡”或者一塊“磨盤”那樣的空間里，而我們的太陽系可能大約位于靠近中心的地方。而地球人朝著“透鏡”直徑方向看去，便可以看到一些較近的，因而較暗的星星，在外面是數(shù)目更多的更遠的更暗的星。而大量十分遙遠的星星由于亮度太暗、肉眼不可能一一分辨出來，只能看到白茫茫的光帶，即銀河。赫歇爾就是這樣，用統(tǒng)計恒星數(shù)目的方法證實銀河系為扁平狀圓盤的假說。他開創(chuàng)了對銀河系結構的研究，繪制了第一張銀河截面圖。
“在這個運動的宇宙里，為什么只有太陽一個是靜止的呢?”赫歇爾在1783年就是抱著這樣一個想法，開始研究太陽的空間運動狀況的。遠在公元八世紀初，我國唐代杰出的天文學家一行把自己測量的恒星位置與漢代測量的位置相比較，發(fā)現(xiàn)有變化。但他沒有對此現(xiàn)象做出解釋。1000多年后，英國天文學家哈雷用同樣的方法(即參照古代記載的恒星位置)，發(fā)現(xiàn)天狼星，大角和畢宿五這3顆亮星有了明顯的移動。為了研究的方便，人們把恒星的空間運動分成兩個分量一個是視向速度，它在視線方向；一個是切向速度(即與視線垂直)，表示為“自行”，即恒星每年在背景上位移的角度。
在赫歇爾那個時代，自行已被測定的恒星還很少。赫歇爾利用當時已知的資料，研究分析了天狼星、北河二、北河三、南河三、軒轅十四、大角和牛郎星這七顆恒星的自行。他發(fā)現(xiàn)，這些運動的恒星，按它們在天球上的位置，確實有一致的傾向。赫歇耳認為這反映了太陽在空間的運動，并且指出太陽正在向武仙座運動。過了50年，也就是1837年，一位法國天文學家使用更可靠的方法，終于證實了太陽的這種運動。根據(jù)現(xiàn)代天文觀測，太陽運動“向點”——目標是在武仙座旁邊的天琴星座里，距離赫歇爾當年確定的位置相差并不遠；太陽朝著向點運動的速度(相對于太陽鄰近的恒星)為每秒19千米。
1786年，赫歇爾向皇家學會呈交了記有1000個新發(fā)現(xiàn)的星云星團表。1788年赫歇爾全家人移居到斯勞。赫歇爾在新居前開辟出寬闊的場地，準備安裝正在研制的口徑達122厘米(48英寸)的望遠鏡。1789年，赫歇爾完成了他的第二部記錄有1000個新發(fā)現(xiàn)的星云星團表。同年，他的48英寸望遠鏡制造完成。這臺巨大的望遠鏡具有非凡的探空威力，但由于其鏡面由反光金屬制成，焦點長度為12米，所以啟動非常不便。除了需要極大的毅力、耐心和觀測技巧以外，觀星者還需要付出繁重的體力勞動。雖說如此，這臺巨型望遠鏡仍不失為18世紀的天文奇跡之一。
1802年，赫歇爾發(fā)表了第三部新發(fā)現(xiàn)的1000個星云星團表，結束了長達19年的星云“巡天”觀測計劃。就這樣，經(jīng)過近20年的艱辛探索，赫歇爾和卡洛琳發(fā)現(xiàn)了3000多個星云和星團。在赫歇爾開創(chuàng)這一
觀測計劃以前，天文學家已知的非恒星天體總和也不過150個。雖然赫歇爾建造口徑122厘望遠鏡是為了驗證其所有的星云均是恒星集團的理論，但是在這臺望遠鏡正式使用以前，赫歇爾根據(jù)自己觀測到的行星狀星云，確證了深空中確實存在彌漫狀天體，它們是云氣，而非原來認定的恒星。
19世紀初的天文學家并不知道赫歇爾發(fā)現(xiàn)的：3000個非恒星天體除少數(shù)星云和氣體星云外，大多數(shù)為星系。又過了100年，人們才確認了它們原來是銀河系以外的星系，也就是赫歇爾所預言的由恒星集合而成的“宇宙島”。赫歇爾發(fā)現(xiàn)的星云，以及由他編撰的非星天體表，為20世紀星系天文學做了超前準備。由于當時的觀測設備的限制，夜空中遙遠的星云或星系在人們看來不過是暗光斑而已，一些天文學家經(jīng)過觀測，發(fā)現(xiàn)星云所發(fā)出的光呈乳白色，所以認為這種星云是數(shù)不清的恒星聚集而成的。另外還有天文學家認為，星云是由會發(fā)光的流體構成的。赫歇爾通過用自己的大望遠鏡觀測表明，大口徑望遠非常適合用來解決“星云”到底是云還是星星聚集這個問題。
赫歇爾還在另一個方面擴展了人類的視野，那是在1800年他發(fā)現(xiàn)了太陽紅外輻射。他當時用溫度計測量太陽光譜的各個部分，結果發(fā)現(xiàn)，在將溫度計放在光譜紅端外測溫時，溫度上升得最高，而那兒卻完全沒有顏色。于是他得出結論：太陽光中包含著處于紅光以外的不可見光線。現(xiàn)在人們稱為紅外輻射。
赫歇爾之所以能在天文研究中有如此豐碩的成果，是與他幾十年如一日的勤奮工作分不開的。他移居斯勞以后，每天晚上只要不受月光和天氣等觀測條件的妨礙，總要在妹妹卡洛琳的陪同下觀測夜空。如果遇到多云的天氣，他就請人看守，只要天空的云氣散了，就隨時通知他來繼續(xù)觀測。赫歇爾是如此地熱愛他的天文學事業(yè)，用他全部的精力致力于對浩渺無限星空的探索，直到50歲時，即1788年，才娶了H．皮特為妻。1792年，赫歇爾的獨生子約翰·赫歇爾出世，后來也成為著名的天文學家。1821年，赫歇爾與兒子一起創(chuàng)建了英國皇家天文學會，他被選為第一任會長。1822年8月25日威廉·赫歇爾病逝于斯勞，享年84歲，這恰好等于天王星繞太陽運行的公轉(zhuǎn)周期�？_琳終生陪伴哥哥從事天文觀測等工作，后來也成為著名天文學家，她一生曾發(fā)現(xiàn)了8顆彗星，享年98歲。
相關文獻
“放眼望深淵，星斗布滿天，繁星數(shù)不盡，天涯若無邊�！�
這是偉大學者和詩人羅蒙·諾索夫的詩句。星空的美妙，宇宙的神秘，永遠激蕩著人類的心靈，也使一位出生于音樂之家的少年產(chǎn)生無窮的遐想。他原是雙簧管手，以音樂為生，但是他認為星光比樂曲更令人陶醉。于是，他不畏勞苦地走上了一條自學成才的道路，最后成為反射望遠鏡大型化的一代宗師、天王星的發(fā)現(xiàn)者和恒星天文學之父。他就是大天文學家威廉·赫歇爾。
音樂與星空
古希臘哲人畢達哥拉斯的“宇宙和諧論”堅信音樂和天文一脈相通。我們不知他的話是否一語破的，但對威廉·赫歇爾來說，他與望遠鏡、天文學的不解之緣竟得益于音樂。威廉·赫歇爾的父親艾薩克也是一位雙簧管手，在禁衛(wèi)軍樂團服役。威廉4歲即從父學習小提琴，稍大又學吹雙簧管。父親用以施教的樂理教材，其中有史密斯的《和聲學》。根據(jù)該書提供的線索，威廉找到了史密斯的另一專著《完整的光學系統(tǒng)》，很早就掌握了望遠鏡的基礎知識。而老艾薩克又多才多藝，在夜晚教授子女音樂之余，常趁興指點他們認識星空，誰知卻有了意外的收獲。
子承父業(yè)，16歲的威廉為減輕家庭負擔被迫輟學，進軍樂團吹起了雙簧管。1756年，英法間爆發(fā)了“七年戰(zhàn)爭”，普魯士站在英國一邊，奧地利和俄羅斯站在法國一邊。威廉不堪戰(zhàn)爭之苦，于翌年只身渡海遁逃倫敦。為了逃避緝捕，他改名換姓，東躲西藏。由于不諳英語，人地兩疏，身無分文，只得靠演奏樂器和教授音樂糊口。生活稍穩(wěn)定，他就白天從事音樂，晚間研習天文和磨制望遠鏡，每逢晴夜，則堅持觀天以自娛。開始時，他是借用別人的小型望遠鏡，不久威廉便產(chǎn)生了想看得更清楚、更深遠的強烈愿望。但是稍大些的望遠鏡，其價格的高昂足以嚇退薪俸微薄的打工仔。他深知，欲窮宇宙的奧秘，只有憑借望遠鏡才能延長人的視力；而望遠鏡口徑越大，視力貫穿星空的本領就越強。他決心把視界擴大到更遙遠的星空，于是憑著自己的智慧和雙手自行設計和建造望遠鏡。這是一條充滿荊棘的道路，一條勇敢者的道路。
1774年3月，在妹妹卡洛琳的協(xié)助下，威廉自行設計和建造的第一架反射望遠鏡誕生了。其口徑約為12.7厘米，焦距約為1.7米；為減少失光，威廉省去了牛頓式平面副鏡，后世稱為赫歇爾式望遠鏡。這是歷經(jīng)一年多不斷試驗、失敗、再試驗的結果。他選用不同配方的銅銻鎳合金為鏡胚，研磨、斷裂、再研磨……滴滴汗水濕潤著鏡片，燭光映著星光，送走黑夜又迎來晨曦。蒼天不負苦心人，威廉終于獲得了成功，從此一發(fā)而不可收。1776年一年之內(nèi)，他便建成了3架自用的望遠鏡，最長的有6米，真是個龐然大物�？墒�，要自如地駕馭它，還得掌握高超的操作技術。
1781年，威廉用口徑3英寸，鏡筒長2.1米左右望遠鏡發(fā)現(xiàn)了天王星，從此聲名大振，訂單像雪片一樣飛來，其中不乏各國天文學家和王室的訂貨。為了讓自己的視力到達銀河系邊緣，他決心研制威力更大的儀器。當?shù)罔T造廠已無法提供口徑超過30厘米的金屬鏡坯了，他就在宅邸的地下室砌筑冶煉爐灶，熔鍛合金材料，幾經(jīng)失敗，終于澆鑄出大鏡胚。1781年威廉建成了鏡筒長約9.1米的望遠鏡，鏡面口徑約為91厘米，兩年后又配上口徑約1.2米的巨型反射鏡片。這是威廉研制的望遠鏡之最，也是當時世界之最。
星海勾沉——天王星的發(fā)現(xiàn)
“在陽光照耀的地方，紫羅蘭總是要開放�！�
這是一句英國流行的諺語。它形象地概括了一個哲理：偶然之中有必然。天王星是天文學家用望遠鏡探測到的太陽系中的第一顆新行星。它距離太陽是日地平均距離的19倍，平均視亮度5.5星等，肉眼勉強可見。它在茫茫太空中邀游，一次次被天文學家的銳眼碰見，但又一次次成了“漏網(wǎng)之魚”，逃之夭夭。它有如星海里一粒暗淡的金砂，在墨綠色的波濤下忽隱忽現(xiàn)，毫不起眼。從1690年以來，它至少有19次被觀測記錄在案，但每次都被誤認為是暗弱恒星而放過了。其中見過這顆星的不乏其人，如皇家天文學家弗拉姆斯蒂德、布拉得雷等大師級的觀測大人物。結果卻是被一位天文愛好者、小城鎮(zhèn)的民間音樂家威廉·赫歇爾偶然間撞上了。但是正如巴斯德所說，機遇只青睞有準備的頭腦。
在天王星發(fā)現(xiàn)前3年，威廉在妹妹的支持下開始了工程浩大的兩期“星空巡視”，目的是發(fā)現(xiàn)和測量雙星。他用的是1776年自制的約2.1米望遠鏡。第一期星空巡視，逐個觀測亮于4星等的亮星；第二期星空巡視，換置更高倍的目鏡和新反射鏡片，逐個觀測極限星等8星等的暗弱星。這一工作從1780年開始。
“1781年3月13日星期二晚上10點到11點間，我正考察雙子座H星附近的一群小星時，發(fā)現(xiàn)了一個異常明亮的星，我將它同雙子座H及雙子、御夫之間的小星作比較，發(fā)現(xiàn)它比任何一個都亮。我懷疑它可能是一個彗星。……”這里說的“異常明亮”是相對之辭，實際上亮度約6星等。但是威廉的“武庫”里備有許多威力非同一般的“新式武器”，這正是他超越別人作出偉大發(fā)現(xiàn)的雄厚資本。他接著說：“我在手頭準備了227、460、932、1536、2010等倍的幾個目鏡，需要時都能成功地用上�！币簿褪钦f，星海垂釣，他備有各種型號的魚鉤。這正是別人望塵莫及的優(yōu)勢。威廉有極其豐富的觀測經(jīng)驗。他發(fā)現(xiàn)該星的直徑隨放大率而增大，肯定不是恒星。他意識到這是一條大魚在咬鉤了。經(jīng)沃森博士推薦，觀測報告送呈皇家學會。在此之后威廉又跟蹤觀測了4夜。4月26日，他應邀在皇家學會宣讀發(fā)現(xiàn)新天體的論文。8月，俄國的劉塞爾、法國的拉普拉斯同時計算出該星的軌道，確認它是土星之外的大行星。太陽系的疆界一下子擴大了一倍！。
威廉確實幸運。他獲得了種種殊榮，而且流芳百世。但是這種幸運，這種不期而遇，正是同他向來重視改進科學工具，勤于系統(tǒng)觀測的踏實作風，不怕艱難的驚人毅力，以及善于透過現(xiàn)象洞察事物本質(zhì)的理論思維等科學素養(yǎng)分不開的。
數(shù)星星的蠢人
這里有一段關于哲學家笛卡兒論星星的趣話。有一次笛卡兒坐在自己屋前的臺階上，正在凝視著落日后昏暗的地平線。一個過路人走近他的身旁，問道：“喂！聰明人，請問，天上有多少顆星星？”他回答道：“蠢人！誰也不能擁抱那無邊無際的東西……”
赫歇爾兄妹就是天文學家中立志“數(shù)星星”的最先兩個“大蠢人”。正是他們第一次用巨型望遠鏡去撞開恒星世界的大門。而在這一偉大創(chuàng)舉之前，人類只是把自己的視力局限在地球附近的地月空間和太陽附近的五大行星之間。威廉在歷史上為恒星天文學的建立奠定了第一塊基石。他第一次用實證科學而不是哲學思辨去揭示銀河系的真面目。他雄心勃勃地制定并有效完成的星云巡天觀測計劃長達19年，碩果累累。1786年、1789年和1802年，他3次向皇家學會呈交的星云星團表，共記錄了2500個星云和星團。此外，他開展了天文學史上前所未有的雙星觀測，1782年、1785年和1821年（逝世前1年），由皇家學會3次刊布雙星星表，共發(fā)現(xiàn)雙星、三合星和聚星848個�！皵�(shù)星星”成了威廉最輝煌的天文業(yè)績。他是第一個敢于“擁抱那無邊無際”的人！他昔日在漢諾威禁衛(wèi)軍樂團、達勒姆郡軍樂團任職，只是在管弦樂隊里合奏高音的雙簧管。而后，他的雙簧管卻和著宇宙深處傳來的天籟之音，獨奏恒星世界的群英譜。
立志做“數(shù)星星的蠢人”，這需要有多大的勇氣、多么驚人的毅力、多么超凡的耐心、多么高超的技巧及多么繁重的腦力和體力勞動��！為了數(shù)星星，他們數(shù)十年如一日默默無聞地勞作。赫歇爾兄妹從不輕易放過可觀測的晴朗天氣，無論是嚴寒的冬宵還是酷暑的夏夜，常常從夜幕降臨干到晨曦初上，廢寢忘食，徹夜不眠。威廉餓了，渴了，仍舍不得離開研磨望遠鏡鏡面的活計，卡洛琳就用叉子湯匙一口口喂他。如此艱苦勞累，他倆卻毫無怨言，樂此不疲，為了科學，雖苦猶甜。
為了數(shù)星星，他們忘了歲月，不知老之將至，完全獻身于神圣的科學事業(yè)。威廉50歲成婚，娶的是一位肯大力資助他研制大型望遠鏡的富家寡婦，54歲得子約翰。約翰長大后，子承父業(yè)，主要業(yè)績是用父親的儀器在好望角數(shù)南天的星星。至于卡洛琳，對天文學一往情深，為數(shù)星星終身未嫁。
在畢達哥拉斯的心中，宇宙有如一個龐大的樂隊，眾星和諧地分布于天穹，撥動著各自的琴弦，各種樂音匯成天籟之音，在宇宙中回蕩。“聽到了嗎？”這位先哲問道，“把你們的心全投人進去，讓你們已潔凈的靈魂飛到太空中邀游，你們就會聽到了�！憋@然，赫歇爾一家聽到了宇宙的旋律。
威廉·赫歇爾主要業(yè)績
（1）制造了許多大型望遠鏡。磨制出售的望遠鏡至少有76架。自用的反射望遠鏡最大口徑1.2米，為當時世界之最；
�。�2）發(fā)現(xiàn)了天王星。1781年，威廉·赫歇爾用自制望遠鏡作巡天觀測時偶然發(fā)現(xiàn)了天王星，后又發(fā)現(xiàn)了天王星和土星各自的兩顆衛(wèi)星，為此榮獲英國皇家學會科普利獎章，并被選為會員；
�。�3）進行了銀河系結構的研究，用統(tǒng)計法首次確認了銀河系為扁平狀圓盤的假說；
（4）從事星團、星云和雙星的研究，集20年觀測成果，匯編成3部星云和星團表，共記載了2500個星云和星團，其中僅100多個系前人已知，還發(fā)現(xiàn)了雙星、三合星和聚星848個；
�。�5）發(fā)現(xiàn)了太陽的空間運動。他發(fā)現(xiàn)并測定出太陽的向點位于武仙座λ附近，與現(xiàn)代的公認值十分接近。因威廉·赫歇爾在天文學特別是恒星觀察領域業(yè)績卓著，后人將他譽為“恒星天文學之父”。
