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會計出身的他測出恒星距離,還預言了白矮星
2019-05-13 07:47:46 來源: 科技日報
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弗裏德裏希·威廉·貝塞爾

科學史話

        天文學是一門精確科學,在這門學科從精確走向更加精確的過程中,有一個至關重要的天文學大師不能被忽略,他就是弗裏德裏希·威廉·貝塞爾。

        貝塞爾1784年出生於普魯士明登的一個低等公務員家庭,隻上了8年學就因家庭經濟困難而輟學。未滿15歲時,貝塞爾到一家進出口當學徒,成為一名會計。因為所在的業務涉及港口貨運,他開始在夜晚自學航海術、天文學、數學、英語與西班牙語。

        驚人的自學能力使貝塞爾很快大放異彩——1804年,20歲的他已成為裏的數學明星。同年,他利用大約200年前的數據,改進了哈雷彗星軌道計算的方法,計算寫滿了300多張對開紙。這個成果立即得到了德國天文領袖、彗星專家奧伯斯的高度讚賞。“這位天才屬於星星,而不屬於商業”,此後兩年,奧伯斯不斷勸他離開商業去當天文學家。事實上,貝塞爾確實屬於星星——早在13歲時,他就用肉眼發現了天琴座的一顆星其實是兩顆分開的星構成的雙星,而普通人的視力卻無法分辨出來。

        1806年,22歲的貝塞爾聽從奧伯斯安排,成為天文學家施勒特的助手。為了挽留他,給他開出了天文助手薪水的7倍,並給了他永久職位,貝塞爾卻依然選擇了自己深愛的天文。奧伯斯因此非常高興地給好友高斯寫信,報告了這個注定影響人類天文發展的選擇。1810年初,未滿26歲的貝塞爾被普魯士國王任命為哥尼斯堡天文台台長;此後兩年內,他又獲得了哥廷根大學榮譽博士學位並成為普魯士科學院院士。

        貝塞爾一生致力於精確天文學,在觀測與理論兩方麵都是他那個時代的頂尖專家。他的一句名言是:“天文儀器都要被製造兩次,第一次是在製造廠,第二次是在天文台。”因此,他通常會仔細檢查與校正天文儀器。精確儀器和出色能力相結合,也讓他取得了一係列重要成果——他精確計算大氣折射率,製作成大氣折射表,因此獲得法國科學院的拉朗德獎;他修訂並發表了布拉德雷製作的星表;他給出了75000顆恒星的位置,這個星表成為後來的《波恩巡天星表》的基礎。

        當時,星表中的恒星還隻有投影位置與運動速度的數據,沒有距離數據。長期以來,人們測量遠處天體距離的方法是“視差法”:在不同的位置觀測恒星,讓恒星在視線上與不同的背景恒星重合,得到不同時刻測量出的位置的差異——視差。有了視差,就可以計算出距離。但即使在距離上億千米的兩個點分別測量恒星,當時的人們也還是無法測出可以察覺的視差,這意味著儀器還不夠精密,也意味著恒星非常遙遠。

        要想測出極小的視差,必須用更精密的儀器。在1830年之後,隨著精確天文儀器被夫琅和費等人先後製造與改進,測量恒星的微小視差的條件已經具備。因此,這方麵的競爭迅速進入了白熱化的狀態。貝塞爾、亨德森、斯特魯維就是這場激烈競爭中的三位參與者。斯特魯維最早公布了自己的結果:0.125角秒,但誤差太大。

        貝塞爾收到斯特魯維的信之後,用夫琅和費改進、自己校正的量日儀繼續觀測天鵝座61,並在1838年底公布了這顆恒星的視差:0.314秒,誤差範圍在5%。這麽小的角,相當於看一枚十幾千米外的硬幣所張開的角度。貝塞爾測到的視差對應的距離是98萬億千米,即10.3光年,隻比現在測到的精確距離值(11.4光年)少9.6%。在當時能夠得到這樣的精確度,是非常驚人的。

        斯特魯維知道貝塞爾的結果後,繼續測量織女星視差,得到的測量數據變為0.26秒,前後差距太大。事實上,斯特魯維後來得到的結果比之前的結果更偏離真實值。在貝塞爾公布結果之後兩個月,此前早已得到結果卻由於各種原因而未公布的亨德森也公布了自己對南門二的觀測結果,0.91秒。同時考慮可靠性和優先性這兩方麵,貝塞爾無疑是這場競賽的贏家。

        在得到天鵝座61的視差和距離之後,貝塞爾在後續觀測中發現,著名的“冬季大三角”中的天狼星與南河三在天空中的運動軌跡是曲線。他堅信,這是因為它們附近都有一個很暗的、質量相當大的星體,後者強大的引力導致這兩顆星的運動軌跡偏離了直線。

        1844年,貝塞爾在給約翰·赫歇爾的信中公布了自己對天狼星和南河三的觀測結果與對應的理論解釋,信的英文翻譯版發表於英國《皇家天文學會月刊》。1862年與1892年,天文學家利用大望遠鏡先後發現了伴隨天狼星和南河三的暗淡星體。後來的研究發現它們溫度很高,顏色發白,但因為體積很小,才顯得很暗,因此得名“白矮星”。

        首次精確測量恒星距離,預言白矮星,這兩項重大成果中的任何一個,都足以讓貝塞爾名垂青史。其實除了這兩個成就外,貝塞爾還在天文曆法、日食理論、天體力學、測地學、數學等多個領域作出了重要貢獻。因為這些傑出成就,他先後獲得法國科學院的拉朗德獎,兩次獲得英國皇家天文學會金質獎,並被選為多個國家的科學院院士與榮譽院士。

        在預言白矮星之後兩年,貝塞爾於1846年3月17日在哥尼斯堡逝世。同年8月底,法國天文學家勒維耶計算出天王星外麵一顆此前尚未被天文學家確認的行星的位置,誤差為1度左右。不久後,柏林天文台的天文學家伽勒和助手達雷斯特在一張星圖的幫助下,迅速找到了那顆行星,達雷斯特興奮地喊出了傳世名言:“那顆星星不在星圖上!”那顆星星被命名為海王星,而協助伽勒與達雷斯特及時發現海王星的那張星圖,正是在貝塞爾的建議下編製而成的。

 

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【糾錯】 責任編輯: 劉丫
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