19世紀天體攝影術的興起：拍攝天空

19世紀天體攝影術的興起：拍攝天空（上）[1]

文章摘要：從一項新奇事物發展成為一種強有力的科研工具，天體攝影最終走向了成熟。1930年，愛德温·哈勃（EdwinHubble）宣佈了一項自伽利略首次將望遠鏡對準星空以來最為重要的天文發現。原先認為寧靜漂浮在真空中的星系實際上正以不可思議的速度相互飛離；宇宙正在膨脹。…

從一項新奇事物發展成為一種強有力的科研工具，天體攝影最終走向了成熟。

1930年，愛德温·哈勃（EdwinHubble）宣佈了一項自伽利略首次將望遠鏡對準星空以來最為重要的天文發現。原先認為寧靜漂浮在真空中的星系實際上正以不可思議的速度相互飛離；宇宙正在膨脹。哈勃非凡的發現引發了對認識的深遠影響：宇宙誕生於一百多億年前的原始火球中。在新的證據面前，長期佔據統治地位的靜態無窮宇宙觀念在很大意義上消亡了。哈勃跨時代的發現促成了現代宇宙學研究——這是關於宇宙誕生、演化和消亡的科學。今天，該領域取得的成就依舊如同在哈勃的時代那般引人注目。

上圖：自從1839年法國科學院首次公佈以來，銀板照相法就算沒有立即鼓舞起當時的專業天文學家，也激起了全體公眾的想象力。這張未標註日期的照片拍攝的是銀板攝影師約翰·H·菲茨吉本（gibbon，1819-1882）在密蘇里州聖路易斯的工作室中的情形，他正在使用銀板照相藝術的多種工具。這一過程令人厭煩、低效且有害，但卻能以非凡的細節記錄影象。（圖片提供：霍頓圖書館哈佛劇院收藏）

那麼哈勃作出他那著名發現的基礎是什麼？是什麼使得他可以成功完成當時最富挑戰性的觀測？哈勃的工作並非獨一無二，它實際上是長達十多年的科技進步的頂峯，這樣的進展在人類的歷史上少有。膨脹宇宙的發現實際上要依賴於3項重要技術的組合：天體攝影術、天體分光學以及龐大而精密的望遠鏡的出現。

它們是誕生於19世紀中葉的“新”天文學，也就是天體物理學的利器。天體物理學的支持者們繞過了關於天體位置和運動的成熟研究，轉而去回答更加基本的問題：恆星是由什麼物質組成的？它們如何產生？為什麼會發光？宇宙的結構是什麼？宇宙的過去和未來又是怎樣的？

要回答這些問題，就需要有專門的工具將天體的暗淡光芒記錄下來，以供人們在實驗室中詳查。通向這種令那些對此不屑一顧的專業同行感到汗顏，而他們自己也因這些舉動而傑出。

如果説哈勃總結了科學突出成就的故事，這個故事的'第一幕就應該發生在19世紀40年代的愛爾蘭。在這裏，哈勃的精神鼻祖——第三代羅斯（Rosse）伯爵威廉·帕森斯（WilliamParsons）夢想着造出世界上最大的望遠鏡。

經過幾年的試驗，羅斯伯爵成功建造了他那口徑6英尺、長58英尺的金屬反射鏡列維坦（Leviathan），並在氣候變化無常的愛爾蘭嘗試着使用它來獲取成果。（最近列維坦安裝了新的鏡筒和現代的鍍鎳鋁製主鏡，重新恢復了使用。）

羅斯伯爵和哈勃都巡視了他們所處時代的可見宇宙邊緣，使用了他們各自時代最大的望遠鏡。羅斯伯爵畫下了他眼中所見的事物；哈勃為了完成這個任務則應用了照相機和分光儀，並使用了加利福尼亞州威爾遜（Wilson）山巔的100英寸反射鏡。正是羅斯伯爵在1845年發現了神祕的“旋渦”星雲，而78年後，哈勃確認它們就是遠方的銀河系。

雖然羅斯伯爵裝備了當時最為龐大的儀器，但卻受限於維多利亞時代的科學；他不具備綜合理解自己所見天體真實面目的基礎。而在另一方面，哈勃的宇宙卻是一座廣闊的實驗室，一片能讓哈勃運用發展中的物理知識來解釋自然祕密的領地。將這兩位在時間上相差數十年的天文學家聯繫到一起的橋樑，要追溯到1839年1月巴黎一次轟動性的公眾通告：路易·雅克·芒戴·達蓋爾（Louis-Jacques-MandéDaguerre）以化學方式在金屬板上成功記錄下了永久的影象。

上圖：這張2毫米寬的銀板照片序列拍攝的是滿月，由紐約卡南代瓜（Canandaigua）的塞繆爾·德懷特·漢弗萊（SamuelDwightHumphrey）在1849年9月1日晚間拍攝。他使用8英寸焦距的鏡頭記錄下了月球表面空前的細節，照片在銀板照相過程中已經經過了鏡像翻轉。注意照片序列旁邊的手寫曝光時間。這些照片據信屬於現存最早的月球照片之列。（圖片提供：哈佛大學天文台）

早期的成功

幾千年來，天文學家用來研究天空的唯一光學儀器就是自己的眼睛。眼睛對天文學研究來説不能算是完美的設備：它收集光線的口徑太小，不能放大物體，不能記錄所見的場景，也不能積累在一段時間內所感受到的光子。17世紀望遠鏡的發明克服了人眼的前兩個侷限；而攝影術的引進則征服了後兩個。

1840年3月，銀板照相的先驅者之一、紐約的藥劑師約翰·威廉·德雷珀（JohnWilliamDraper）在曼哈頓廣場一座高樓的樓頂拍下了第一張粗糙的月球照片。3年後，德雷珀記錄下了太陽光譜。1845年，法國物理學家讓·巴納德·萊昂·傅科（Jean-Bernard-LéonFoucault）和阿曼德·希波呂忒·路易·斐索（Armand-Hippolytr-LouisFizeau）獲得了一張令人滿意的太陽照片。接下來的進展要歸功於波士頓的銀板攝影師約翰·亞當斯·惠普爾（JohnAdamsWhipple）和鐘錶匠兼哈佛大學天文台首任台長威廉·克蘭奇·邦德（WilliamCranchBond）之間的合作。

上圖：1840年初，繼路易·雅克·芒戴·達蓋爾並不成功的嘗試後，紐約藥劑師約翰·威廉·德雷珀（1811-1882）拍到了首張月球照片，揭示了月面的細節。最初的照片據信是毀於紐約自然歷史會堂的一場大火，當時它們被保存在那裏。1843年，德雷珀成功拍攝了太陽光譜，光譜線在紅外和紫外波段都清晰可見。他在照相化學反應以及光與熱的關係方面所作出的基礎性工作使得他成為美國最早的一批科學家之一。

邦德的觀測記錄表明，當惠普爾讓他把照相機固定到天文台的15英寸大型折射鏡上時，他偶然意識到了這一點；但為了遷就他的常客，邦德時常要停下自己的工作。【在數十年後的1870年，邦德的這個看法由火星衞星發現者阿薩夫·霍爾（AsaphHall）再度提出，當時霍爾是抱怨用折射鏡從事光譜觀測的苦頭。】