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    神秘星空的燈塔——深空星表的誕生

     hercules028 2019-09-19
    作者丨宋媛媛
    原載于《百科探秘·航空航天》2019年第五期
    漆黑的夜晚,當我們仰望星空時,映入眼簾的星星通常就是一顆顆、一片片泛黃或泛白的光點。但是如果你有一架天文望遠鏡,透過它你就會發現星空遠比我們肉眼所見的要美麗得多,因為在宇宙更遠處的一些深空天體只有借助天文望遠鏡才能在世人眼中“綻放”。如果再將它們拍攝下來,還原其本身的色彩,你更會為星空的絢爛而驚嘆!目睹過星空盛景的人們為這些美麗的天體冠以各種各樣形象生動的美名,如“三葉星云”“礁湖星云”“紙風車星系”等。

    三葉星云(M20)
    這些絢麗的天體除了各種美麗的別名外,它們還有自己的“官方姓名”。例如三葉星云的官方姓名就是M20,礁湖星云又名M8或NGC6523。這些命名看上去有些復雜,不過簡單來說,我們可以將這些名字中的英文字母當作天體的“姓”,把后面的數字當作天體的“名”。而不同的姓氏就代表了天體來自的不同“家庭”——星云星團表。常見的、也是最早的三個星云星團表分別是M、NGC和IC星表。這些星表是誰制定的?它們的名字又是怎么來的呢?下面我們就來講一講。
    梅西耶星表——無心插柳的意外收獲
    梅西耶星表簡稱M星表,其中的天體被稱為梅西耶天體或M天體。即使你沒有真正觀測過,想必在很多天文攝影美圖中也欣賞過著名的梅西耶天體。值得一提的是,大家熟知的日本動漫奧特曼系列中,主角奧特曼的故鄉就是梅西耶星表中的M78,它是位于獵戶座的反射星云。
    M78
    梅西耶天體是法國天文學家梅西耶(Charles Messier)編制的《星云星團表》中列出的110個天體,包含較為明亮的星云、星團、星系等。星表中,天體的編號以梅西耶的英文首字母M開頭,從M1排列到M110。
    梅西耶的畫像
    1730年,梅西耶出生在法國的一個小鎮上。由于家境貧寒,他11歲就輟學了,并沒有什么機會接觸天文知識。1744年,14歲的梅西耶見到了一顆明亮的六尾彗星,這使他對天文產生了極大的興趣。后來,他在家鄉觀看了壯觀的日環食,這壯麗的景象使他對天文學更加好奇。于是21歲時,梅西耶來到巴黎,憑著對天文學的興趣和一手好字,他被海軍天文學家約瑟夫·尼古拉斯·德里希爾看中。德里希爾親自傳授他天文知識,并教會他天文觀測的方法,這為他日后取得的成就打下了堅實的基礎。
    1744年的六尾彗星示意圖
    在那個時代,天文學研究的主流是彗星,梅西耶的主要工作就是搜尋彗星。1757年,27歲的梅西耶開始尋找著名的哈雷彗星,根據已故天文學家哈雷的預言,這顆彗星將在1758年回歸,這在當時還只是個科學假說,不過卻激發了很多天文學家的興趣,他們紛紛開始尋找彗星。
    德里希爾計算出一條哈雷彗星的運行軌跡,梅西耶根據軌跡繪制了星圖。不過遺憾的是,由于其中的數學計算非常復雜,包括德里希爾在內的很多天文學家都算錯了,所以導致梅西耶繪制的星圖也出現了錯誤。不過,他堅持不懈、日復一日地搜索,終于在1759年1月21日發現了哈雷彗星,但令人沮喪的是,他發現德國一位天文愛好者早在1758年12月24日就已經找到了哈雷彗星。不過,在搜尋哈雷彗星的過程中,梅西耶也有一些新的發現。
    哈雷彗星
    1758年8月28日,他在金牛座發現了一個長得像彗星的光斑,在之后幾天的觀測中,他發現這個光斑并沒有移動,顯然它并不是彗星,而是“星云”(因為當時的望遠鏡無法看得更清楚,所以云霧狀的天體都被稱為星云,包括很多河外星系。直到1924年埃德溫·哈勃才確認星系是銀河系之外的恒星系統)。梅西耶將它記錄了下來,并為它編號M1。隨后,梅西耶在繼續搜尋彗星的時候,又發現、記錄了第二個“星云”——M2,并將其畫在那張顯示哈雷彗星軌跡的星表中。不久之后,他又發現了第三個“星云”——M3,M3其實是球狀星團,也是第一個由梅西耶首先發現的天體。
    蟹狀星云(M1)
    M3(NGC5272球狀星團)
    1760年,德里希爾退休,30歲的梅西耶接任了天文官的職務,繼續做著“彗星獵手”的工作,同時隨著他發現的“星云”(云霧狀天體)越來越多。由于云霧狀天體和彗星十分相像,為了避免浪費時間區分二者,梅西耶決定和他的助手皮埃爾·梅襄合作把這些天體制成星表。
    1764年,梅西耶整理出一張包含了40個天體的列表。1765年,他發現大犬座的M41后,又在列表中追加了M41~M45五個天體。 1769年,梅西耶在白羊座附近發現了大彗星C/1769P1,并以此成為柏林科學院的外籍院士。次年,他又發現了一顆彗星,并且成為巴黎學士院的正式成員。梅西耶在他的一生中總共觀測到46顆彗星,其中包含他自己發現的21顆。

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    彗星的命名
    彗星的命名有國際統一的規則,了解了這個規則就能通過彗星的名字讀出很多信息!比如梅西耶發現的大彗星 C/1769P1。其中“1769”表示的是發現這顆彗星的年份。“P”代表發現的月份,以半個月為單位,26個字母去掉I和Z不用,剩下24個字母按月份排列:A表示1月上半月,B表示1月下半月,依此類推。大家可以算一算,排到P就是8月的上半月。而“P1”表示的是八月上半月內發現的第1顆彗星。那么“C/”又表示什么呢?因為彗星有不同的特點,有的像哈雷彗星一樣是會定期回歸的周期彗星,也有不回歸的、或者還沒算出它的軌道的。為了把它們分類,又加上了以下標記:“A/”即可能為小行星,“P/”即確認回歸1次以上的短周期彗星,“C/”為長周期彗星(200年以上),“X/”即為尚未算出軌道根數的彗星,“D/”為不再回歸或可能已經消失的彗星。所以,我們知道了梅西耶發現的這顆彗星 C/1769P1是他在1769年8月上半月發現的一顆長周期彗星。 
    1784年,法國天文年歷上刊登了梅西耶制作的由103個天體組成的星表,其中57個是星團,46個是各種星云和星系。在天文學上,星表通常是按天體的赤經順序來排序的,但是梅西耶星表卻不同,他既沒有按照星云、星團的類型,也沒有按照位置順序排序,而是依據他觀測到的時間先后進行排序編號,所以兩個編號相鄰的梅西耶天體之間,實際位置可能相距很遠。后世的天文學家經過考證,確定當時還有7個天體已經被梅西耶和梅襄歸入星表,所以,梅西耶星表擴大到了我們今天熟悉的110個。
    梅西耶星表是天文史上第一個系統的深空星表,在它之前的星表都以恒星為目標,雖然梅西耶星表是他“無心插柳”的意外收獲,但是這個星表的制成卻改變了人們對宇宙的認識,擴展了天文學家研究宇宙的新領域,從此以后各類深空天體的星表紛紛出現。
    梅西耶星表中的很多深空天體都比較明亮,很容易找到,有些甚至肉眼就能看見。在攝影師的鏡頭下,梅西耶天體美麗而迷人,直到今天它們仍然深受天文愛好者喜愛,成為他們觀測和拍攝的首選目標。
    每年3月中旬至4月初,北半球的天文愛好者會進行梅西耶天體觀測馬拉松賽,就是比賽誰能整晚連續觀測記錄到更多的梅西耶天體,這可是對觀測技能的一次考驗。 
    GC星表——堅持不懈的豐碩成果
    如果說梅西耶星表被廣大天文愛好者所關注,那么NGC星表和IC星表則是天文學研究人員的重要參考了。NGC星表的全稱是 New General Catalogue of Nebulae and Clustersof Stars,即《星云星團新總表》。它其實是《星云星團總表》GC星表的擴充。GC星表是由赫歇爾家族的威廉·赫歇爾、卡羅琳·赫歇爾和約翰·赫歇爾共同編制完成的。
    赫歇爾家族的三位天文學家對天文學的貢獻非常大,其中威廉·赫歇爾和卡羅琳·赫歇爾是兄妹,約翰·赫歇爾是威廉·赫歇爾的兒子。威廉·赫歇爾1738年出生于德國,和梅西耶屬于同一時代。他從小喜歡仰望星空,對天上的諸多星座了如指掌。但對音樂同樣感興趣的威廉·赫歇爾,自小跟隨父親學習小提琴,16歲時便加入了禁衛軍樂團擔任小提琴和雙簧管演奏員。1756年,英法之間爆發了“七年戰爭”,德國也卷入其中,赫歇爾所在的漢諾威被法軍占領。不堪忍受戰爭之苦的赫歇爾,在父親的幫助下,逃到了英國避難。后來在英國他一邊以演奏為生,一邊研究天文學。不僅如此,為了觀測天體,他還自學光學知識,并到當地的制鏡商那里學習磨鏡技術,想要自制一架望遠鏡。
    1774年,經過不斷完善,赫歇爾終于制作出一架口徑為15厘米、焦距為2.1米的牛頓式反射望遠鏡。通過這架望遠鏡,他成功看到了獵戶座大星云和清晰的土星環。從此,他白天磨制鏡片,夜晚觀測天體并認真記錄。正是用這架望遠鏡,赫歇爾在1781年發現了天王星!這一發現徹底改寫了天文學的歷史,太陽系的疆域在人類的認知中擴大了一倍,這也使43歲的赫歇爾成為世界聞名的天文學家。
    赫歇爾發現天王星所用的望遠鏡 
    天王星 
    當然,赫歇爾的成就遠不止這些,他還發現了土星的兩顆衛星和天王星的兩顆衛星,編制了第一個雙星表,并發現了太陽的運動,描畫出了銀河系的形狀……威廉·赫歇爾能夠獲得舉世矚目的成就,離不開他的妹妹卡羅琳·赫歇爾的幫助。卡羅琳·赫歇爾一直陪伴在威廉·赫歇爾左右,長年協助他進行艱苦的觀測和天文研究,她發現了8顆彗星和14個星云,還是獲得皇家天文學會金質獎章的第一位女性。
    威廉·赫歇爾看到梅西耶發表了《星云星團表》后,產生了探索深空天體的興趣。從1782年開始,他用自己做的兩個焦距為610厘米,口徑分別為30厘米和47厘米的望遠鏡,進行了深空天體的觀測。1789年,他制作出當時世界上最大的反射望遠鏡,口徑為1.2米,焦距為12米。用這個當時性能最好的望遠鏡,他看到了許多前人從未得見的“星云”,他發現有的星云在望遠鏡中呈現出與行星類似的視圓面,即看上去像太陽和月亮那樣呈圓形,而非點狀,于是為這樣的星云取名為“行星狀星云”,這個名稱一直沿用至今。
    威廉·赫歇爾制作的當時世界上最大的望遠鏡
    從1782年到1802年,赫歇爾在妹妹的協助下,發現了2 500多個星云、星團,并陸續發表。在此之前,人們所知的深空天體不超過150個。威廉·赫歇爾的發現直接把深空天體帶上了一個新的量級,再一次刷新了人們對宇宙的認知!
    威廉·赫歇爾幾乎將全部精力都投入天文研究,直到50歲才結婚,54歲時他的獨生子約翰·赫歇爾出生。在父親的影響下,小赫歇爾也成了天文學家。1825年,小赫歇爾對父親和姑姑所發現的星云進行了徹底的核查。他還前往南非的好望角進行了南天星空的觀測。在好望角,小赫歇爾特別仔細地觀測了大、小麥哲倫星云。對這兩個“星云”的觀測,開創了河外星系研究的先河。1864年,他發表了《星云星團總表》(GeneralCatalogue of Nebulae and Clusters of Stars),簡稱GC星表。
    大、小麥哲倫星云(實際上它們是銀河系的兩個伴星系)
    NGC星表和IC星表 
    在赫歇爾家族之后,愛爾蘭的天文愛好者羅斯伯爵制造出了更大的望遠鏡,口徑達到1.8米,鏡筒長16米。羅斯伯爵招募了幾個助手,德雷耶是其中之一。德雷耶用這個口徑更大的望遠鏡發現了更多的星云,同時發現GC星表與自己的測量結果存在不少偏差。他決定對GC星表進行修正和增補。1888年,他編制完成《星云星團新總表》,即NGC星表,其中的天體數量達到了7 840個。
    隨著不斷觀測,德雷耶又在1895年和1908年兩次發表了NGC星表的補充表——《星云星團新總表續篇》(Index Catalogues),簡稱IC星表,共包含了5 386個天體。隨著天文攝影的出現和發展,IC星表中的很多天體是通過照相發現的。NGC星表是較為全面的天體星表,包含了幾乎所有梅西耶天體。所以,我們常常看到一個天體既有M編號,又有NGC編號。
    M51 也是NGC5194
    隨著觀測技術的不斷完善,NGC星表還在不斷修訂。1973年,兩位天文學家蘇林提科和蒂夫特發表了RNGC星表(The Revised New Catalogue of Nonstellar AstronomicalObjects),對NGC星表的數據進行了修訂。1988年,天文學家辛諾特又編著出版了NGC2000.0。 
    其他有趣的深空星表
    當年,梅西耶觀測時用的望遠鏡口徑只有10厘米;威廉·赫歇爾改進了望遠鏡后,望遠鏡口徑從30厘米不斷擴充至47厘米、1.2米;羅斯伯爵將望遠鏡口徑再一次擴大至1.8米。隨著望遠鏡觀測技術的發展,人類觀測到的深空天體數量也從110個飛速增長到1萬多個……
    過去,天文學家還未認識河外星系,所以這三個星表是星團、星云和河外星系的混編。如今,望遠鏡技術經歷了飛躍式的發展,更多的深空天體被發現。天文學家們把這些深空天體區分出來,出現了更多細分的深空星表,而且這些星表的容量一再增長,如亮星系星表RC3囊括了2萬多個亮星系,星系表MCG包含了3萬多個星系,星系表PGC包含著90多萬個星系。除此之外,還有暗星云表Barnard、球狀星團星表Arp、星系團表Abell,等等。
    Barnard33是著名的獵戶座馬頭星云,它的背后是明亮的發射星云IC434 
    在沒有大型巡天望遠鏡的年代,一部星表的編制需要天文學家耗費大量的時間和精力。這些星表中成千上萬個編號正是天文學家們堅毅、嚴謹的科學精神的重要體現。400多年前,當伽利略第一次把望遠鏡指向夜空時,他大概也沒想到夜空竟如此絢麗多彩。正是一代代天文學家的不懈努力,我們今天才有幸窺見浩瀚宇宙那無與倫比的美麗!
    -完-

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