100 年前，埃德温·哈勃证明银河系并非宇宙中的孤岛
100 年前，哈勃揭示了一个星系群的存在——于银河系之外，如果，毫无契机，他是无法做到这一点的。
大约1945年：天文学家埃德温·鲍威尔·哈勃博士坐在桌子前的椅子上看杂志。作为威尔逊山天文台的一名工作人员，他是第一个提出论点支持宇宙膨胀理论的科学家，该理论现在被称为哈勃定律。（图片来源：《纽约时报》/盖蒂图片社）
101年前，人们处在科学家们仍然认为银河系是我们宇宙的全部的时代。但是，在100年前，大多数科学家则笃定这不是真的。在这时期某个时候，人类意识到宇宙比银河系大得多——从望远镜中看到的螺旋星云实际上是独立的星系。宇宙的规模几乎在一夜之间急剧膨胀。
纵观历史，要归功一个人：埃德温·哈勃。这有一定道理，但如果没有他周围那些为他的发现铺平道路的天才，他不可能做到这一点。
卡内基科学天文台的天文学家杰夫·里奇在马里兰州举行的美国天文学会第245次会议的新闻发布会上说：“人们无意间将哈勃和他对银河系以外宇宙的发现披上了一层传奇色彩，但他的成功确实站在了许多人的肩膀上。”
里奇在2025年1月的美国科学院会议上讲述埃德温·哈勃的故事是有象征意义的，因为一个世纪前的1925年1月1日，在美国科学院的第33次会议上，哈勃的成果才第一次被正式介绍。
里奇将银河系之外的宇宙的发现描述为几个世纪以来的启示，并讨论了对人类在宇宙中的位置的理解是如何随着时间的推移逐渐与新的发现结合在一起的。然而，站在哈勃肩膀上最多的两个人是亨丽埃塔·斯旺·莱维特和哈洛·沙普利。
宇宙中最重要的恒星
莱维特在哈佛大学学院天文台担任的工作类似于智能“计算机”，负责分析哈佛望远镜拍摄的相片底片。特别的是，莱维特将仔细研究小麦哲伦星云和大麦哲伦星云的图像，并在其中识别出了 1800 颗变星。在莱维特于 1908 年和 1912 年撰写的两篇论文中，她能够确定这些变星中有许多具有独特的周期-光度关系。换句话说，她意识到这些恒星定期脉动所需的时间以及它们在收缩和膨胀过程中变亮和变暗的程度取决于它们的发光强度。
这是一个至关重要的发现。假设你发现了其中一颗这样的变星，后来被称为仙王座的变光星。你可能不知道它距离我们有多远，但根据仙王座的变光星的变幅周期，你可以计算出它的内在亮度。然后，要确定这颗恒星的距离，需要将其真实光度与它在夜空中看起来的亮度进行比较即可。即便在当下，莱维特提出的光度与周期的关系式仍是科学家们用于测量宇宙中天体距离时所依据的关键概念。
与此同时，鉴于哈罗·沙普利在哈勃故事中的基础性作用，讽刺的是，他并不相信银河系之外还有别的星系存在。早在 20 世纪初，望远镜的观测能力还不足以分辨其他星系中的单个恒星，因此螺旋星系只是螺旋状的模糊区域，被称为螺旋状星云。沙普利怀疑这些星云只不过是银河系边缘形成的恒星而已。
他的目标是通过创建第一张官方的宇宙距离梯来测量银河系的大小——也就是他的概念中宇宙的大小。他识别了造父变星上星系中的第一级阶梯。接下来是 RR 轮流星，这是一种具有与造父变星相似的周期-光度关系的类型，其距离可以以造父变星进行作为参照校准。最后，他使用 RR 轮流变星来校准银河系边缘附近普通的大质量、高亮度恒星的距离。沙普利（Shapley）测定银河系的直径为 30 万光年，太阳系距离银河系中心 5 万光年。如今我们知道更准确的数值分别是 10 万光年和 2.6 万光年，而沙普利的结果代表了首次使用宇宙距离梯度法。沙普利甚至在 1920 年 4 月与另一位天文学家赫伯·柯蒂斯（Heber Curtis）在华盛顿特区的美国国家科学院共同参与了“大辩论”，讨论了螺旋星云的本质问题。柯蒂斯认为螺旋星云本身就是星系，但他表示银河系的直径只有 1 万光年。沙普利则持相反的观点。
哈勃（Hubble）介入了这场争论
1919 年，埃德温·哈勃（Edwin Hubble）加入了加利福尼亚州的威尔逊山天文台（Mount Wilson Observatory）的团队，当时距离该天文台的胡克望远镜（Hooker Telescope）首次投入使用仅过去了两年。这台望远镜是当时世界上最大的望远镜。
里奇说道：“哈勃的突破得益于威尔逊山天文台的 100 英寸胡克望远镜（Hooker Telescope）。哈勃能够取得这一发现，得益于他能够立足于最先进的技术之上。”
胡克望远镜是该天文台台长乔治·埃勒里·海勒（George Ellery Hale）的杰作，其设计初衷还包括解决旋涡星云之谜。这一谜题的解决得益于一位来自加利福尼亚州的慈善家约翰·胡克（John Hooker）慷慨捐赠的 45,000 美元。
在这之前，我们还得提及另一位重要人物：米尔顿·胡曼森。他最初被雇佣时的身份类似于“骡子驮运工”那种，经常负责在威尔逊山的观测站尚未完工时用骡子驮运建筑材料和设备上去。后来，他成为了观测站的清洁工，接着又成为了使用该观测站的天文学家们的助手。胡马森和哈勃在望远镜旁几乎形影不离，而胡马森尽管并未获得博士学位，但凭借自身努力在望远镜观测领域取得了诸多天文发现，他理应一道分享哈勃所获得的诸多赞誉。
在这由他们搭建的工程上，哈勃和休马森开始用胡克望远镜观测螺旋星云。1923年，他们成功地拍摄了仙女座螺旋星云梅西耶31的照片，这张照片确实揭示了一些非常特别的东西。
里奇说：“哈勃对这张照片非常兴奋，他在黑白玻璃底片上写下了‘VAR（变星）！’，因为他看到了一颗造父变星存在的证据。”那颗造父变星后来被简称为“V1”。哈勃更明白，海蒂娜·莱维特和哈洛·沙普利所做的研究，这只意味着他首次挑战就够测量出一个螺旋星云的距离。”
他确实测量了距离。他计算出的距离为 93 万光年，这比真实距离 250 万光年少了不到一半，但尽管哈勃那粗略的计算存在局限性（宇宙距离阶梯至今仍在不断改进），这张照片清楚地表明仙女座螺旋星云的存在超出了沙普利测量的银河系 300 万光年的范围。梅西耶 31 并非螺旋星云，而是一个螺旋星系。
哈勃太空望远镜拍摄的 V1 星（图中插图所示）的图像，它是位于仙女座星系中的造父变星，正是凭借这一恒星，埃德温·哈勃得以测量该星系的距离，并证明了它以及其他星系也是“独立的宇宙岛”（注：哈勃通过观测仙女座星系中的造父变星，测定了仙女座星系的距离，从而证明了仙女座星系和其他星系也是独立的宇宙体）。（图片来源：美国国家航空航天局/欧洲航天局/哈勃遗产项目（斯克里普斯天文台/美国宇航局联合管理局）/罗伯特·根德勒）
哈勃给沙普利写信，告知他自己的发现。沙普利读到这封信时，评论道：“这就是那封摧毁了我对宇宙所拥有的一切的信。”
1924 年 11 月，哈勃将他发现的消息透露给了《纽约时报》，这就是为什么次年 1 月在亚利桑那天文学学会（AAS）上进行的报告实际上是天文学家亨利·诺里斯·罗素（Henry Norris Russell）而非哈勃本人所做的报告，这只是官方的披露——不过，私下里人们早就知道了这件事。
如今，我们认为宇宙中充满了星系，有的像银河系和仙女座星系那样呈螺旋状，有的是巨大的椭圆星系，还有的是微小的矮星系。据最新统计，可见宇宙空间中估计存在多达 2 万亿个星系。然而，里奇评论说，哈勃这一划时代的发现实际上属于前沿。
“一百年的时间不算太遥远。”他说。的确，在这世上还有人的年龄更老，他们出生在人类对其他星系还一无所知的时代。“这实在是一堂关于事物正在发生怎样的变化以及新发现能以多快的速度向我们涌来的课程。”
如今，那张捕捉到 仙王星座的变光星 V1 的照相底片，角落里赫伯特·哈勃潦草地写着“VAR！（变星）”（这是哈勃对这颗变星的观测结果的标记），成了发现历程中的珍贵遗物，就像一个科学版的印第安纳·琼斯在千年之后可能会去寻找的那种东西。幸运的是，你不必踏上如此艰难的旅程就能找到它。通常情况下，这张底片被锁在保险箱里，现在它已拿出来通风，目前在洛杉矶县博物馆举办的“无限宇宙：不同文化中的宇宙学”展览中展出几个月。
至于哈勃，他并没有止步于此。他后来的星系形状音叉图仍然是天文学家的经典教学工具，即使音叉所描绘的星系的演化是前后的，专业天文学家仍然使用音叉的命名法，即“早期”和“晚期”星系。
然后，在1929年，哈勃揭示了宇宙中几乎所有其他星系都在远离我们，这部分是基于天文学家维斯托·斯利弗（Vesto Slipher）的红移测量，并与比利时物理学家兼牧师乔治·勒马（Georges lema）的理论工作相一致，后者推导出了后来被称为哈勃-勒马定律的理论，该定律描述了宇宙的膨胀。
在五年的时间里，我们从认为银河系就是一切，到揭示一个无限膨胀的宇宙。这是一个相当大的范式转变，紧随1915年阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）发表的《广义相对论》（General Theory of Relativity）之后，大约在同一时期，以尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）为首的世界上最伟大的物理学家正在探索量子物理领域，这是科学变革时代的基石，塑造了我们目前对宇宙的理解。暗物质、暗能量、对量子引力理论的探索、哈勃张力和大爆炸的原因等新奥秘都让物理学家感到困惑，现在是科学领域再次发生类似于一个世纪前的变革的大好时机。
撰稿：基思·库珀
BY:Keith Cooper
FY:Jane
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