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科学松鼠会 ? 拍摄天空——19世纪天体摄影术的兴起

2012-02-08  夏赟阳

注:本文及《星光侦探》《镜中宇宙》两篇文章最初译成于2004-2005年并发表于个人主页,最近对原始译文作了修改及图片补充,在此发出修订版。

Alan W. Hirshfeld,编译自Sky& Telescope, Vol. 107, No. 4 (2004)

从一项新奇事物发展成为一种强有力的科研工具,天体摄影最终走向了成熟。

1930年,爱德温·哈勃(Edwin Hubble)宣布了一项自伽利略首次将望远镜对准星空以来最为重要的天文发现。原先认为宁静漂浮在真空中的星系实际上正以不可思议的速度相互飞离;宇宙正在膨胀。哈勃非凡的发现引发了对认识的深远影响:宇宙诞生于一百多亿年前的原始火球中。在新的证据面前,长期占据统治地位的静态无穷宇宙观念在很大意义上消亡了。哈勃跨时代的发现促成了现代宇宙学研究——这是关于宇宙诞生、演化和消亡的科学。今天,该领域取得的成就依旧如同在哈勃的时代那般引人注目。

上图:自从1839年法国科学院首次公布以来,银板照相法就算没有立即鼓舞起当时的专业天文学家,也激起了全体公众的想象力。这张未标注日期的照片拍摄的是银板摄影师约翰·H·菲茨吉本(John H. Fitzgibbon,1819-1882)在密苏里州圣路易斯的工作室中的情形,他正在使用银板照相艺术的多种工具。这一过程令人厌烦、低效且有害,但却能以非凡的细节记录影象。(图片提供:霍顿图书馆哈佛剧院收藏)

那么哈勃作出他那著名发现的基础是什么?是什么使得他可以成功完成当时最富挑战性的观测?哈勃的工作并非独一无二,它实际上是长达十多年的科技进步的顶峰,这样的进展在人类的历史上少有。膨胀宇宙的发现实际上要依赖于3项重要技术的组合:天体摄影术、天体分光学以及庞大而精密的望远镜的出现。它们是诞生于19世纪中叶的“新”天文学,也就是天体物理学的利器。天体物理学的支持者们绕过了关于天体位置和运动的成熟研究,转而去回答更加基本的问题:恒星是由什么物质组成的?它们如何产生?为什么会发光?宇宙的结构是什么?宇宙的过去和未来又是怎样的?

要回答这些问题,就需要有专门的工具将天体的暗淡光芒记录下来,以供人们在实验室中详查。通向这种令那些对此不屑一顾的专业同行感到汗颜,而他们自己也因这些举动而杰出。

如果说哈勃总结了科学突出成就的故事,这个故事的第一幕就应该发生在19世纪40年代的爱尔兰。在这里,哈勃的精神鼻祖——第三代罗斯(Rosse)伯爵威廉·帕森斯(William Parsons)梦想着造出世界上最大的望远镜。经过几年的试验,罗斯伯爵成功建造了他那口径6英尺、长58英尺的金属反射镜列维坦(Leviathan),并在气候变化无常的爱尔兰尝试着使用它来获取成果。(最近列维坦安装了新的镜筒和现代的镀镍铝制主镜,重新恢复了使用。)

罗斯伯爵和哈勃都巡视了他们所处时代的可见宇宙边缘,使用了他们各自时代最大的望远镜。罗斯伯爵画下了他眼中所见的事物;哈勃为了完成这个任务则应用了照相机和分光仪,并使用了加利福尼亚州威尔逊(Wilson)山巅的100英寸反射镜。正是罗斯伯爵在1845年发现了神秘的“旋涡”星云,而78年后,哈勃确认它们就是远方的银河系。

虽然罗斯伯爵装备了当时最为庞大的仪器,但却受限于维多利亚时代的科学;他不具备综合理解自己所见天体真实面目的基础。而在另一方面,哈勃的宇宙却是一座广阔的实验室,一片能让哈勃运用发展中的物理知识来解释自然秘密的领地。将这两位在时间上相差数十年的天文学家联系到一起的桥梁,要追溯到1839年1月巴黎一次轰动性的公众通告:路易·雅克·芒戴·达盖尔(Louis-Jacques-Mandé Daguerre)以化学方式在金属板上成功记录下了永久的影象。

上图:这张2毫米宽的银板照片序列拍摄的是满月,由纽约卡南代瓜(Canandaigua)的塞缪尔·德怀特·汉弗莱(Samuel Dwight Humphrey)在1849年9月1日晚间拍摄。他使用8英寸焦距的镜头记录下了月球表面空前的细节,照片在银板照相过程中已经经过了镜像翻转。注意照片序列旁边的手写曝光时间。这些照片据信属于现存最早的月球照片之列。(图片提供:哈佛大学天文台)

早期的成功

>几千年来,天文学家用来研究天空的唯一光学仪器就是自己的眼睛。眼睛对天文学研究来说不能算是完美的设备:它收集光线的口径太小,不能放大物体,不能记录所见的场景,也不能积累在一段时间内所感受到的光子。17世纪望远镜的发明克服了人眼的前两个局限;而摄影术的引进则征服了后两个。

1840年3月,银板照相的先驱者之一、纽约的药剂师约翰·威廉·德雷珀(John William Draper)在曼哈顿广场一座高楼的楼顶拍下了第一张粗糙的月球照片。3年后,德雷珀记录下了太阳光谱。1845年,法国物理学家让·巴纳德·莱昂·傅科(Jean-Bernard-Léon Foucault)和阿曼德·希波吕忒·路易·斐索(Armand-Hippolytr-Louis Fizeau)获得了一张令人满意的太阳照片。接下来的进展要归功于波士顿的银板摄影师约翰·亚当斯·惠普尔(John Adams Whipple)和钟表匠兼哈佛大学天文台首任台长威廉·克兰奇·邦德(William Cranch Bond)之间的合作。

上图:1840年初,继路易·雅克·芒戴·达盖尔并不成功的尝试后,纽约药剂师约翰·威廉·德雷珀(1811-1882)拍到了首张月球照片,揭示了月面的细节。最初的照片据信是毁于纽约自然历史会堂的一场大火,当时它们被保存在那里。1843年,德雷珀成功拍摄了太阳光谱,光谱线在红外和紫外波段都清晰可见。他在照相化学反应以及光与热的关系方面所作出的基础性工作使得他成为美国最早的一批科学家之一。

邦德的观测记录表明,当惠普尔让他把照相机固定到天文台的15英寸大型折射镜上时,他偶然意识到了这一点;但为了迁就他的常客,邦德时常要停下自己的工作。[在数十年后的1870年,邦德的这个看法由火星卫星发现者阿萨夫·霍尔(Asaph Hall)再度提出,当时霍尔是抱怨用折射镜从事光谱观测的苦头。]而早期使用望远镜拍摄太阳的尝试却只是让他儿子乔治·菲利普·邦德(George Philips Bond)的袖子着了火。1849年,惠普尔和邦德拍摄了月球详尽的影象。这张照片以及后继者的大小只有2.5英寸,它们在1851年的伦敦博览会上导致了轰动效应——宇宙似乎被“带到了地球上”。

上图:一张接近上弦时分的月球银板照片,是1852年2月26日由摄影家约翰·亚当斯·惠普尔使用哈佛大学天文台的15英寸折射镜拍摄的。惠普尔和天文台台长威廉·克兰奇·邦德先前拍摄的类似照片已经在1851年的伦敦博览会上引起了轰动。(图片提供:哈佛大学天文台)

1850年,惠普尔和邦德在进行了1分半钟的曝光后拍下了第一批恒星的影象,拍摄对象包括织女星和北河二双星。翌年,乔治·邦德用银板照相法拍摄了木星赤道上的云带。考虑到月球与木星摄影所需要的时间相近,而木星的距离更为遥远,他推断木星表面的反照率要更高。这是羽翼未丰的天体摄影术取得的第一项科学成果。

上图:威廉·克兰奇·邦德(1789-1859)死前共执掌哈佛大学天文台20年。他的儿子乔治·菲利普·邦德接了他的班。在羽翼渐丰的天体摄影领域中,邦德父子与约翰·亚当斯·惠普尔一道与最初的成功密切关联。

尽管早期有过这些成功的事例,大多数职业天文学家却还是回避了摄影的过程。那时的摄影术是有害的、不精密的,而且还是低效的。只有少数天文学家预见到了这项新技术的潜力,认为它可以超越用人眼直接观看望远镜目镜时的效果。从19世纪50年代到80年代,天体摄影上的大多数进展都是由独立于学术机构的天文爱好者作出的。1852年,英国的印刷机发明者沃伦·德拉鲁(Warren De la Rue)开始着手于努力改进月球摄影质量,这项工作持续了将近10年。他的工具是自制的13英寸反射镜(后来又配备了转仪钟),以及曝光更快的湿火棉胶摄影术。后一技术是一年前由他的同胞、雕刻家、摄影家弗雷德里克·斯科特·阿彻(Frederick Scott Archer)引进的。德拉鲁的月球照片在放大到8英寸后仍旧生动而清晰。作为证据,这些照片连带他那不可置信的月球立体图象为关于月球地貌火山起源的争论增添了可能性。

上图:英国天文爱好者沃伦·德拉鲁(1815-1889)在1851年的伦敦博览会上看到了惠普尔和邦德拍摄的月球银板照片后,自己开始从事天体摄影。使用湿火棉胶底片和自制的13英寸转仪钟折射镜,德拉鲁给月球摄影带来了戏剧性的进步。在早期力图使实测天文学家支持天体摄影的努力中,他那详细的报告起了至关紧要的作用。

皇家天文学会对此留下了深刻的印象,并资助德拉鲁建造了一架专门的望远镜照相机(太阳全色照相仪),用以监测太阳黑子、拍摄日食。1860年7月18日,德拉鲁和意大利天文学家安吉洛·塞奇(Angelo Secchi)拍摄的日食照片显示,日珥确实是太阳上而非月球上的现象。(那时候,日珥只能在日食时被观测到,这就使人们对它起源的认识很不确定。)1861年,德拉鲁用立体图象说明,黑子是位于太阳光球层(也就是太阳的可见表面)上的凹陷。通过他向科学团体所作的详尽摄影报告,他为他的天文同行在日后的进展铺平了道路。

同时,美国人刘易斯·莫里斯·拉瑟弗德(Lewis Morris Rutherfurd)放弃了他的法律职业,于1856年在位于曼哈顿第2大道第11街(2nd Avenue, 11th Street)的自家花园一角建立了一座天文台。受邦德父子在哈佛大学天文台所作工作的启发,拉瑟弗德给他的11.25英寸菲茨(Fitz)折射镜配置了一架照相机,以图研究天体摄影的价值。根据他自己严苛的标准,他最初拍摄的月球、行星和恒星的湿火棉胶影象是失败的。他意识到,造成这一后果的罪魁是,他的望远镜更适合目视观测而非摄影。望远镜的物镜的设计是在可见光黄绿波段表现最佳,眼睛在这里是最为灵敏的;然而19世纪的照相乳胶主要是对蓝光的灵敏度最高。经过多年艰苦的工作(包括对太阳光谱最早的照相研究),拉瑟弗德为他的望远镜更换了一块自己设计的“摄影用”主镜。这样,他只需曝光几分钟就可以拍摄出边缘相当明晰的恒星、双星和星团影象了。

上图:19世纪60年代,曾做过律师的纽约天文学家刘易斯·莫里斯·拉瑟弗德(1816-1892)与望远镜制造工亨利·菲茨(Henry Fitz)一道,开发了“摄影用”折射镜的关键部件。他用这些设备获取了月球、星团和太阳光谱的高质量照片。

拉瑟弗德在1865年发表于《美国科学杂志》(America Journal of Science)上的一篇文章中写道,“用这样的中等口径望远镜就可以拍下9等星。这种能力证明,应该发展和提高摄影术在测绘星空方面的应用,而在一些测量活动中,它显示出了长久以来被拖延且已经令人失望的希望。”

1868年,拉瑟弗德将他的11.25英寸折射镜更换为一架口径13英寸的望远镜,这架望远镜的目视物镜可以在安装一片辅助透镜后改作摄影用。在接下来的10年中,他为昴星团、鬼星团以及其他星团拍摄了大量底片,还制造了桌面式千分尺阵列来测定星团成员星的位置。(在湿火棉胶底片上,恒星的影象很黯淡,无法与底片自身的微小斑点区分开来。因而拉瑟弗德在同一底片上拍摄两组并行的影象,一组曝光时间长,另一组要短些;所有恒星的影象都是双重的,但火棉胶底片自身的斑点只有一组。)

拉瑟弗德从没有达到他的初衷:证明摄影术在天体测量学——对星体位置的精确测量——上的价值;他的兴趣更倾向于摄影的进步和分光技术,而非数据处理。然而,天文学家本杰明·阿普索普·戈尔德(Benjamin Apthorp Gould)等人日后对这些星团照片的分析却说明了拉瑟弗德的论点,也就是有了天体摄影术和合适的测量方法,“老”天文学的关键分支——天体测量学研究可以更有效地进行;同时,这也是向一个被1889年的《科学美国人》杂志称为“迄今美国最卓越的私人科学家”的人所作的颂词。

先驱式的天体摄影家

上图:纽约医生亨利·德雷珀(Henry Draper)(1837-1882)在设计建造镀银玻璃主镜反射望远镜、天体摄影和恒星光谱型等方面作出的先驱性努力大大促进了19世纪70至80年代实测天体物理学的发展。(图片提供:哈佛大学天文台)

当拉瑟弗德在位于城市中的天文台拍摄天空时,他的同胞,纽约人亨利·德雷珀正在通过显微镜拍摄银板照片,来为他关于人体脾脏的医学论文准备插图。1857年,第一个拍摄月球的人约翰·威廉·德雷珀的儿子——20岁的亨利毕业了,这个年龄对于考取行医执照来说还太年轻。他进行了一次欧洲之旅。在比尔(Birr)城堡,他看到了罗斯伯爵那庞大的列维坦望远镜。当返回美国的时候,德雷珀决定在他的住家——亨德森的哈斯汀(Hasting-on-Hundson)建造美国第一座专门用于天体摄影的天文台。(现在这里是博物馆兼档案馆。)他向声明远扬的英国天文学家约翰·赫歇尔(John Herschel)征求意见,赫歇尔建议他放弃从艾萨克·牛顿(Issac Newton)时代延用下来的复杂金属反射镜,改用完美的研磨玻璃镀银镜片。亨利和他的哥哥丹尼尔(Daniel)开始用自己设计的脚踏车研磨机工作——除了一次让狗沿固定轨道奔跑的失败试验以外。他们一起制造了一系列实用的玻璃反射望远镜,最大口径达到了28英寸。

亨利详尽的报告《建造口径15英寸半的玻璃望远镜,及其在天体摄影上的用途》成为一代又一代天文爱好者自制望远镜的标准手册。他创下了多个天体摄影里程碑,其中包括第一次记录恒星光谱(织女星,1872年)和第一次拍摄猎户座大星云(1880年)等等。1882年,在亨利45岁因肺炎去世后,他那拍摄和分析恒星光谱的空前工作中断了。这项计划由亨利的遗孀安娜·玛丽·帕尔默(Anna Mary Palmer)赞助哈佛大学天文台继续进行。它的意义在于获取了现代照相光谱分类的原则。1924年,该计划编成了纪念碑式的德雷珀恒星光谱表(Draper Catalogue of Stellar Spectrum)。

天体物理学的兴起

1874年的金星凌日却使天体摄影成为正规研究手段的进程产生了短暂但很显著的倒退。这次天象给人们提供了一次准确测量日地距离的罕见机会,而人们对照相机这只“公平”的眼睛寄予厚望,希望它能消除目视观测带来的幻觉。然而,美国、法国和德国的照相小组使用不同的设备和观测方法,却都没有从照相底片上提取出可靠的数据。日后,由14国天文学家组成的讨论组在总结中表示了对1882年下一次金星凌日使用摄影方法观测的不赞同。在1886年向圣彼得堡科学院提交的一份报告中,普尔科沃(Pulkovo)天文台台长奥托·威廉·斯特鲁维(Otto Wilhelm Struve)总结了传统天文学家的普遍感受:“上帝禁止用这些新奇迷人的东西进行天文学研究……”[甚至直到1914年,目视观测的拥护者珀西瓦尔·洛威尔(Percival Lowell)还将“新”天文学的流行归因于“图片对人们产生的影响”。]

上图:这张来自美国海军天文台观测队的明胶底片拍摄下了1882年12月6日的金星凌日。(叠加的网格是望远镜光学系统引入的人为物;小斑点是摄影乳剂的瑕疵。)美国与法国都属于在1882年的金星凌日中继续使用摄影手段的少数国家之列。(图片提供:美国海军天文台图书馆)

在对金星凌日的“山崩”觉醒后,一场双重的革命将摄影术推入了世界各大学术性天文台:第一,人们发明了“超级灵敏”的动物胶基底溴化银干板,这样的底片只需曝光1/10秒,得到的影象细节就可以与湿火棉胶底片曝光10秒,或银板曝光30分钟所得的相媲美;第二,一批新兴的职业研究者——天体物理学家——的地位逐渐升高,他们将摄影术(以及分光术)视为获取天体本质信息的重要工具。而相当重要的一点是,19世纪80年代的几项大型目视天文计划都没有得到可靠的结果,其中包括恒星光度的测量、光谱分类以及对弥漫星云结构的研究。

当照相机揭示了大量从未被肉眼观测过的天体时,目视观测的局限性进一步显现了。英国工程师安德鲁·安斯利·康芒(Andrew Ainslie Common)用他自制的36英寸反射镜拍摄了猎户座大星云的照片,显现出了远比目视所见更多的发光气体涡旋结构。他的英国同胞艾萨克·罗伯特(Isaac Robert)将20英寸反射镜拍摄的照片出版为一本清晰的星团、星云影集;他那“真正的”蟹状星云影象边缘比最熟练的画技所能描绘的还要清楚。1891年,德国天文学家马克斯·沃尔夫(Max Wolf)通过摄影术发现了一颗小行星(323号Brucia);一年后,加州利克天文台的爱德华·爱默生·巴纳德(Edward Emerson Barnard)用同样的方法捕获了一颗新的彗星。(月球和行星天文学长久以来被目视观测所统治。在19世纪的底片所需要的曝光时间内,湍动的地球大气不可避免地会抹去天体表面的细节,而在行星圆面准确落到焦点的那一刻,眼睛还是比较稳定的。)

上图:使用19世纪70年代引进的新型干板摄影术的天文学家不再受限于过时的湿板技术所要求的较短曝光时间。1880年9月30日,亨利·德雷珀用他的11英寸折射镜进行了51分钟的曝光,记录下了猎户座大星云的第一张影象。(图片提供:哈佛大学天文台)上右:随后的深空天体摄影有了迅猛的发展,这张猎户座大星云的精细照片就是证据。它由英格兰的安德鲁·安斯利·康芒在1883年利用36英寸反射镜拍摄,曝光37分钟。成功拍摄这类照片的关键是高精度的望远镜转仪钟。照片上方为北侧。

在发现未知的潜力以外,照相机在一些更为重要的计划中有着很大的优势。早在19世纪80年代,人们就在利用摄影法确定恒星的亮度和颜色方面取得了一些进展,这些主要是由哈佛大学的爱德华·查尔斯(Edward Charles)和威廉·亨利·皮克林(William Henry Pickering)进行的一系列先驱性研究;然而直到20世纪,当问题的理论和设备方面都被人们充分了解后,标准的测光方法才被采纳。

对天空的大规模照相测绘始于非洲好望角皇家天文台台长大卫·吉耳(David Gill)。吉耳在使用借来的商业肖像镜头拍摄1882年9月的大彗星时,对背景上的大量星象感到十分惊奇。由这次工作带来的热情,他鼓动了手下支持天体摄影的专业天文学家。在那个时候,这是很危险的活动;1887年,英国皇家学会延缓发放了吉耳的研究经费。尽管如此,从19世纪50年代到90年代,吉耳和两名助手用一架6英寸折射镜拍摄了赤纬-18度以南的整个南天。他们所得的星表——好望角照相巡天表(Cape Photographic Durchmusterung,CPD)记下了454875颗恒星的位置和星等信息。CPD是更为雄心勃勃的照相天图(Carte du Ciel)计划的先驱,后者致力于拍摄全天亮于14等的星体。尽管这项国际合作计划从未完成,它的出版物和会议却将天体摄影的方法和可能性告诉了目视天文学家。

上图:南非好望角皇家天文台台长大卫·吉耳用一支借来的2.5英寸商业肖像镜头拍下了1882年9月的大彗星。他被照片背景上的众多星象(比如上面这张拍摄于1882年11月14日的照片所展现的)所震惊,开始着手于一项延续了5年半的南天照相巡天计划,得到了将近455000颗恒星的位置和星等数据。他成为了专业天文学家中率先采用天体摄影术的改革者。(图片提供:南非天文台)

历史学家威廉·西顿(William Seaton)在他对19世纪科学的研究中写道,“通过在望远镜上使用灵敏的照相底片代替人眼,我们获得了彗星、恒星和星云的照片,而这些影象是人眼通过望远镜绝对不可能看见的……数小时的累积曝光以从前想都不敢想的深度揭示了宇宙。”似乎是为了显示天体摄影术的胜利,19世纪90年代间,詹姆斯·爱德华·基勒(James Edward Keeler)使用康芒捐献给利克天文台的36英寸反射镜拍摄了数千个以前从未见过的旋涡星云。30多年后,爱德温·哈勃揭示出,基勒所见的谜一般的旋涡实际上是飞驰在深空中的单个星系。

回顾19世纪,当时天体摄影的发展看起来是很混乱的,甚至可以说是随机的。它的支持者所遇到的阻碍不仅仅是技术上的,更有思想甚至是政治上的;许多天文学家放弃了这项尚未成熟的技术(由于当时它尚有严重的缺陷,这也是可以理解的),而其他一些人则只是在口头上反对它。然而,观念的大潮的确转移了,任何现代化的天文台以及本期杂志中的这篇文章证实了这一点。天体摄影的错综故事就好象是一部管弦乐作品,每种乐器依次奏响,直到最后,它们的声音汇聚成交响乐。天体摄影的先驱试图抒写的“交响乐”直到众多天文学家开始一齐“演奏”时方才显现出来。

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