19世纪天体摄影术的兴起：拍摄天空

19世纪天体摄影术的兴起：拍摄天空（上）[1]

文章摘要：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（EdwinHubble）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。…

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（EdwinHubble）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（gibbon，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（WilliamParsons）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-MandéDaguerre）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（SamuelDwightHumphrey）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（JohnWilliamDraper）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-LéonFoucault）和阿曼德·希波吕忒·路易·斐索（Armand-Hippolytr-LouisFizeau）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（JohnAdamsWhipple）和钟表匠兼哈佛大学天文台首任台长威廉·克兰奇·邦德（WilliamCranchBond）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（AsaphHall）再度提出，当时霍尔是抱怨用折射镜从事光谱观测的苦头。】