3 巡天偶得

天文觀測在外人看來也許是一項很浪漫的事業(yè)，但實際上雖不乏浪漫，卻也充滿了艱辛。即便擁有高質(zhì)量的望遠(yuǎn)鏡，一項天文發(fā)現(xiàn)的背后也往往凝聚著天文學(xué)家長年累月的心血。赫歇耳不僅在制作望遠(yuǎn)鏡上走在了同時代人的前面，在天文觀測上也有著常人難以企及的細(xì)心和熱忱。他一生僅巡天觀測就進(jìn)行了四次之多，每一次都對觀測到的天體進(jìn)行了系統(tǒng)而全面的記錄。其中最早的一次是通過一架口徑4.5英寸的反射望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行的，涵蓋的是所有視星等亮于4的天體^[1]。由于視星等亮于4的天體用肉眼都清晰可見，這樣的觀測對于他精心制作的望遠(yuǎn)鏡來說無疑只是牛刀小試。而且，這類天體既然用肉眼就能看見，從中做出任何重大發(fā)現(xiàn)的可能性顯然都是微乎其微的。用功利的眼光來看，這樣的巡天觀測幾乎是在浪費時間，但對赫歇耳來說，天文觀測的樂趣遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了任何功利的目的。從這樣一次注定不可能有重大發(fā)現(xiàn)的巡天觀測開始自己的觀測生涯，極好地體現(xiàn)了赫歇耳在天文觀測上扎實、沉穩(wěn)、嚴(yán)謹(jǐn)、系統(tǒng)的風(fēng)格。除了這種極具專業(yè)色彩的風(fēng)格外，赫歇耳對天文觀測的酷愛程度也是非常罕見的。他對觀測的沉醉，實已達(dá)到了廢寢忘食的境界。在他從事觀測時，食物常常是卡洛琳用勺子一小口一小口地喂進(jìn)他的嘴里，而睡覺則往往要托壞天氣的福。正是這樣的專業(yè)風(fēng)格與忘我熱忱的完美結(jié)合，最終成就了天文觀測史上的一次偉大發(fā)現(xiàn)。

幾年下來，赫歇耳以及他所制造的望遠(yuǎn)鏡在英國學(xué)術(shù)圈里漸漸有了一些知名度。“七英尺望遠(yuǎn)鏡”制作完成后，赫歇耳開始用這架舉世無雙的望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行自己的第二次巡天觀測，這次巡天觀測的目的之一是尋找雙星（赫歇耳一生共找到過800多對雙星，是研究雙星的先驅(qū)者之一），所涵蓋的最暗天體的表觀亮度約為8等，相當(dāng)于上次巡天觀測所涉及的最暗天體表觀亮度的1/40，或肉眼所能看到的最暗天體表觀亮度的1/6。顯然，這次巡天觀測所涉及的天體數(shù)量比上一次大得多，工作量也大得多。

1781年3月13日夜晚10點到11點之間，赫歇耳的望遠(yuǎn)鏡指向了位于金牛座（Taurus）一“角”（ζ星）與雙子座（Gemini）一“腳”（η星）之間的一小片天區(qū)。在望遠(yuǎn)鏡的視野里，一個視星等在6左右，略帶圓面的新天體引起了赫歇耳的注意。那會是一個什么天體呢？由于恒星是不會在望遠(yuǎn)鏡里留下圓面的，因此這一天體不像是恒星。為了證實這一點，赫歇耳更換了望遠(yuǎn)鏡的鏡片，將放大倍率由巡天觀測所用的227倍增加到460倍，爾后又進(jìn)一步增加到932倍，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這個天體的線度按比例地放大了。（請讀者思考一下，赫歇耳既然有放大率更高的鏡片，在巡天觀測時為什么不用？）毫無疑問，這樣的天體絕不可能是恒星，恒星哪怕在更大的放大倍率下也只會是一個亮點，而不會呈現(xiàn)出圓面。那么，它究竟是一個什么天體呢？赫歇耳認(rèn)為答案有可能是星云狀物體，也有可能是彗星。但就在他試圖一探究竟的時候，巴斯的天公卻不作美，一連幾天都不適合天文觀測，赫歇耳苦等了四天才等來了再次觀測這一天體的機會，這時他發(fā)現(xiàn)該天體的位置與四天前的記錄相比，有了細(xì)微的移動。由于星云狀物體和恒星一樣是不運動的，因此這一發(fā)現(xiàn)排除了該天體為星云狀物體的可能性。于是赫歇耳的選項只剩下了一個，那就是彗星，他正式宣布自己發(fā)現(xiàn)了一顆新的“彗星”。

發(fā)現(xiàn)新彗星雖然算不上是很重大的天文發(fā)現(xiàn)，但每顆新彗星的發(fā)現(xiàn)都能為天文學(xué)家們新增一個研究軌道的對象，而這在當(dāng)時正是很多人感興趣的事情。因此天文學(xué)家們一得知赫歇耳發(fā)現(xiàn)新“彗星”的消息，便立即對新“彗星”展開了觀測。令人奇怪的是，這顆新“彗星”并沒有像其他彗星那樣拖著長長的尾巴。用后人的眼光來看，或許很難理解如此顯著的疑點為何沒有讓赫歇耳意識到自己所發(fā)現(xiàn)的其實不是彗星，而是一顆新的行星。但在當(dāng)時，“新行星”這一概念對很多人來說幾乎是一個思維上的盲點。不過科學(xué)家畢竟是科學(xué)家，他們是不會始終沉陷在盲點里漠視證據(jù)的。赫歇耳的發(fā)現(xiàn)公布之后，英國皇家學(xué)會的天文學(xué)家馬斯克林（Nevil Maskelyne）在對該“彗星”進(jìn)行了幾個夜晚的跟蹤觀測之后，率先猜測它有可能是一顆新的行星，因為它不僅沒有彗星的尾巴，連軌道也迥異于彗星。當(dāng)然，憑借短短幾個夜晚的觀測，馬斯克林只能對新天體的軌道進(jìn)行很粗略的推斷。幾個月之后，隨著觀測數(shù)據(jù)的積累，瑞典天文學(xué)家萊克塞爾（Anders Johan Lexell）、法國科學(xué)家薩隆（Bochart de Saron），以及法國天體力學(xué)大師拉普拉斯彼此獨立地從數(shù)學(xué)上論證了新天體的軌道接近于圓形，從而與接近拋物線的彗星軌道截然不同。與此同時，赫歇耳本人也借助自己無與倫比的望遠(yuǎn)鏡優(yōu)勢對新天體的大小進(jìn)行了估計，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其直徑約為54700千米，是地球直徑的4倍多^[2]。顯然，在近圓形軌道上運動的如此巨大的天體只能是行星，而絕不可能是彗星。因此到了1781年的秋天，天文學(xué)界已普遍認(rèn)為赫歇耳發(fā)現(xiàn)的是太陽系的第七大行星。這顆行星比水星、金星、地球和火星都大得多，甚至比它們加在一起還要大得多，它繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道半徑約為30億千米，相當(dāng)于土星軌道半徑的兩倍，或地球軌道半徑的20倍。

幾千年來，人類所認(rèn)識的太陽系的疆界終于第一次得到了擴展^[3]。

赫歇耳的偉大發(fā)現(xiàn)立即被英國天文學(xué)界引為驕傲，赫歇耳本人也因此而獲得了巨大的榮譽。1781年11月，英國皇家學(xué)會將自己的最高獎——考普雷獎（Copley Medal）授予了赫歇耳，并接納他為皇家天文學(xué)會的成員。赫歇耳從此成為了職業(yè)天文學(xué)家。為了讓赫歇耳有充裕的財力從事研究，皇家學(xué)會免除了他的會費。不僅如此，英王喬治三世還特意為他提供了津貼，并親自接見了他。后來喬治三世干脆請赫歇耳遷居到溫莎堡（Windsor Castle）附近，以便能讓他時常向皇室成員講解星空知識。作為回報，赫歇耳在皇家學(xué)會的提示下寫了一封感謝信，盛贊喬治三世對他的慷慨資助，并提議將新行星命名為“喬治星”（Georgian Planet）。雖然在新天體的命名中發(fā)現(xiàn)者通常享有優(yōu)先權(quán)，但像“喬治星”這樣一個富有政治意味的名字還是立即遭到了英國以外幾乎所有天文學(xué)家的一致反對。赫歇耳本人也私下承認(rèn)，這個名字是不可能被普遍接受的。在新行星的命名競賽中最終勝出的，是德國天文學(xué)家波德（Johann Elert Bode），他提議的名稱是烏拉諾斯（Uranus），這是希臘神話中的天空之神，也是薩坦（土星）的父親。這一名稱之所以勝出，是由于它與太陽系其他行星的命名方式具有明顯的傳承關(guān)系：在其他行星的命名中，朱庇特（木星）是瑪爾斯（火星）的父親，薩坦（土星）是朱庇特（木星）的父親，有這樣一連串“父子關(guān)系”為后盾，在土星之外的行星以薩坦（土星）的父親烏拉諾斯來命名無疑是順理成章的^[4]。在中文中，這一行星被稱為天王星。

發(fā)現(xiàn)天王星的那年赫歇耳已經(jīng)42歲，一生的旅途已經(jīng)走過了一半。在后半生里，他放棄了音樂生涯，將全部的精力都投注在了星空里，孜孜不倦地繼續(xù)自己的天文事業(yè)，并且作出了卓越的貢獻(xiàn)。除發(fā)現(xiàn)天王星外，他還分別發(fā)現(xiàn)了土星及天王星的兩顆衛(wèi)星^[5]。他在恒星天文學(xué)、雙星系統(tǒng)及銀河系結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域的研究都具有奠基意義。他所繪制的星圖遠(yuǎn)比以往的任何同類星圖都更全面，同時他還是最早發(fā)現(xiàn)紅外輻射的科學(xué)家。

1822年8月25日，赫歇耳在自己工作了幾十年的觀星樓里離開了人世。他的一生只差3個月就滿84歲，只差4個月就是他所發(fā)現(xiàn)的天王星繞太陽公轉(zhuǎn)一圈的時間。