神秘星空的灯塔——深空星表的诞生

更新时间:2019年09月19日 07:00????来源:科学公园????手机版我要报错

作者丨宋媛媛

原载于《百科探秘·航空航天》2019年第五期

漆黑的夜晚,当我们仰望星空时,映入眼帘的星星通常就是一颗颗、一片片泛黄或泛白的光点。但是如果你有一架天文望远镜,透过它你就会发现星空远比我们肉眼所见的要美丽得多,因为在宇宙更远处的一些深空天体只有借助天文望远镜才能在世人眼中“绽放”。如果再将它们拍摄下来,还原其本身的色彩,你更会为星空的绚烂而惊叹!目睹过星空盛景的人们为这些美丽的天体冠以各种各样形象生动的美名,如“三叶星云”“礁湖星云”“纸风车星系”等。

三叶星云(M20)

这些绚丽的天体除了各种美丽的别名外,它们还有自己的“官方姓名”。例如三叶星云的官方姓名就是M20,礁湖星云又名M8或NGC6523。这些命名看上去有些复杂,不过简单来说,我们可以将这些名字中的英文字母当作天体的“姓”,把后面的数字当作天体的“名”。而不同的姓氏就代表了天体来自的不同“家庭”——星云星团表。常见的、也是最早的三个星云星团表分别是M、NGC和IC星表。这些星表是谁制定的?它们的名字又是怎么来的呢?下面我们就来讲一讲。

梅西耶星表——无心插柳的意外收获

梅西耶星表简称M星表,其中的天体被称为梅西耶天体或M天体。即使你没有真正观测过,想必在很多天文摄影美图中也欣赏过着名的梅西耶天体。值得一提的是,大家熟知的日本动漫奥特曼系列中,主角奥特曼的故乡就是梅西耶星表中的M78,它是位于猎户座的反射星云。

M78

梅西耶天体是法国天文学家梅西耶(Charles Messier)编制的《星云星团表》中列出的110个天体,包含较为明亮的星云、星团、星系等。星表中,天体的编号以梅西耶的英文首字母M开头,从M1排列到M110。

梅西耶的画像

1730年,梅西耶出生在法国的一个小镇上。由于家境贫寒,他11岁就辍学了,并没有什么机会接触天文知识。1744年,14岁的梅西耶见到了一颗明亮的六尾彗星,这使他对天文产生了极大的兴趣。后来,他在家乡观看了壮观的日环食,这壮丽的景象使他对天文学更加好奇。于是21岁时,梅西耶来到巴黎,凭着对天文学的兴趣和一手好字,他被海军天文学家约瑟夫·尼古拉斯·德里希尔看中。德里希尔亲自传授他天文知识,并教会他天文观测的方法,这为他日后取得的成就打下了坚实的基础。

1744年的六尾彗星示意图

在那个时代,天文学研究的主流是彗星,梅西耶的主要工作就是搜寻彗星。1757年,27岁的梅西耶开始寻找着名的哈雷彗星,根据已故天文学家哈雷的预言,这颗彗星将在1758年回归,这在当时还只是个科学假说,不过却激发了很多天文学家的兴趣,他们纷纷开始寻找彗星。

德里希尔计算出一条哈雷彗星的运行轨迹,梅西耶根据轨迹绘制了星图。不过遗憾的是,由于其中的数学计算非常复杂,包括德里希尔在内的很多天文学家都算错了,所以导致梅西耶绘制的星图也出现了错误。不过,他坚持不懈、日复一日地搜索,终于在1759年1月21日发现了哈雷彗星,但令人沮丧的是,他发现德国一位天文爱好者早在1758年12月24日就已经找到了哈雷彗星。不过,在搜寻哈雷彗星的过程中,梅西耶也有一些新的发现。

哈雷彗星

1758年8月28日,他在金牛座发现了一个长得像彗星的光斑,在之后几天的观测中,他发现这个光斑并没有移动,显然它并不是彗星,而是“星云”(因为当时的望远镜无法看得更清楚,所以云雾状的天体都被称为星云,包括很多河外星系。直到1924年埃德温·哈勃才确认星系是银河系之外的恒星系统)。梅西耶将它记录了下来,并为它编号M1。随后,梅西耶在继续搜寻彗星的时候,又发现、记录了第二个“星云”——M2,并将其画在那张显示哈雷彗星轨迹的星表中。不久之后,他又发现了第三个“星云”——M3,M3其实是球状星团,也是第一个由梅西耶首先发现的天体。

蟹状星云(M1)

M3(NGC5272球状星团)

1760年,德里希尔退休,30岁的梅西耶接任了天文官的职务,继续做着“彗星猎手”的工作,同时随着他发现的“星云”(云雾状天体)越来越多。由于云雾状天体和彗星十分相像,为了避免浪费时间区分二者,梅西耶决定和他的助手皮埃尔·梅襄合作把这些天体制成星表。

1764年,梅西耶整理出一张包含了40个天体的列表。1765年,他发现大犬座的M41后,又在列表中追加了M41~M45五个天体。1769年,梅西耶在白羊座附近发现了大彗星C/1769P1,并以此成为柏林科学院的外籍院士。次年,他又发现了一颗彗星,并且成为巴黎学士院的正式成员。梅西耶在他的一生中总共观测到46颗彗星,其中包含他自己发现的21颗。

超级链接

彗星的命名

彗星的命名有国际统一的规则,了解了这个规则就能通过彗星的名字读出很多信息!比如梅西耶发现的大彗星 C/1769P1。其中“1769”表示的是发现这颗彗星的年份。“P”代表发现的月份,以半个月为单位,26个字母去掉I和Z不用,剩下24个字母按月份排列:A表示1月上半月,B表示1月下半月,依此类推。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内发现的第1颗彗星。那么“C/”又表示什么呢?因为彗星有不同的特点,有的像哈雷彗星一样是会定期回归的周期彗星,也有不回归的、或者还没算出它的轨道的。为了把它们分类,又加上了以下标记:“A/”即可能为小行星,“P/”即确认回归1次以上的短周期彗星,“C/”为长周期彗星(200年以上),“X/”即为尚未算出轨道根数的彗星,“D/”为不再回归或可能已经消失的彗星。所以,我们知道了梅西耶发现的这颗彗星 C/1769P1是他在1769年8月上半月发现的一颗长周期彗星。

1784年,法国天文年历上刊登了梅西耶制作的由103个天体组成的星表,其中57个是星团,46个是各种星云和星系。在天文学上,星表通常是按天体的赤经顺序来排序的,但是梅西耶星表却不同,他既没有按照星云、星团的类型,也没有按照位置顺序排序,而是依据他观测到的时间先后进行排序编号,所以两个编号相邻的梅西耶天体之间,实际位置可能相距很远。后世的天文学家经过考证,确定当时还有7个天体已经被梅西耶和梅襄归入星表,所以,梅西耶星表扩大到了我们今天熟悉的110个。

梅西耶星表是天文史上第一个系统的深空星表,在它之前的星表都以恒星为目标,虽然梅西耶星表是他“无心插柳”的意外收获,但是这个星表的制成却改变了人们对宇宙的认识,扩展了天文学家研究宇宙的新领域,从此以后各类深空天体的星表纷纷出现。

梅西耶星表中的很多深空天体都比较明亮,很容易找到,有些甚至肉眼就能看见。在摄影师的镜头下,梅西耶天体美丽而迷人,直到今天它们仍然深受天文爱好者喜爱,成为他们观测和拍摄的首选目标。

每年3月中旬至4月初,北半球的天文爱好者会进行梅西耶天体观测马拉松赛,就是比赛谁能整晚连续观测记录到更多的梅西耶天体,这可是对观测技能的一次考验。

GC星表——坚持不懈的丰硕成果

如果说梅西耶星表被广大天文爱好者所关注,那么NGC星表和IC星表则是天文学研究人员的重要参考了。NGC星表的全称是 New General Catalogue of Nebulae and Clustersof Stars,即《星云星团新总表》。它其实是《星云星团总表》GC星表的扩充。GC星表是由赫歇尔家族的威廉·赫歇尔、卡罗琳·赫歇尔和约翰·赫歇尔共同编制完成的。

赫歇尔家族的三位天文学家对天文学的贡献非常大,其中威廉·赫歇尔和卡罗琳·赫歇尔是兄妹,约翰·赫歇尔是威廉·赫歇尔的儿子。威廉·赫歇尔1738年出生于德国,和梅西耶属于同一时代。他从小喜欢仰望星空,对天上的诸多星座了如指掌。但对音乐同样感兴趣的威廉·赫歇尔,自小跟随父亲学习小提琴,16岁时便加入了禁卫军乐团担任小提琴和双簧管演奏员。1756年,英法之间爆发了“七年战争”,德国也卷入其中,赫歇尔所在的汉诺威被法军占领。不堪忍受战争之苦的赫歇尔,在父亲的帮助下,逃到了英国避难。后来在英国他一边以演奏为生,一边研究天文学。不仅如此,为了观测天体,他还自学光学知识,并到当地的制镜商那里学习磨镜技术,想要自制一架望远镜。

1774年,经过不断完善,赫歇尔终于制作出一架口径为15厘米、焦距为2.1米的牛顿式反射望远镜。通过这架望远镜,他成功看到了猎户座大星云和清晰的土星环。从此,他白天磨制镜片,夜晚观测天体并认真记录。正是用这架望远镜,赫歇尔在1781年发现了天王星!这一发现彻底改写了天文学的历史,太阳系的疆域在人类的认知中扩大了一倍,这也使43岁的赫歇尔成为世界闻名的天文学家。

赫歇尔发现天王星所用的望远镜

天王星

当然,赫歇尔的成就远不止这些,他还发现了土星的两颗卫星和天王星的两颗卫星,编制了第一个双星表,并发现了太阳的运动,描画出了银河系的形状……威廉·赫歇尔能够获得举世瞩目的成就,离不开他的妹妹卡罗琳·赫歇尔的帮助。卡罗琳·赫歇尔一直陪伴在威廉·赫歇尔左右,长年协助他进行艰苦的观测和天文研究,她发现了8颗彗星和14个星云,还是获得皇家天文学会金质奖章的第一位女性。

威廉·赫歇尔看到梅西耶发表了《星云星团表》后,产生了探索深空天体的兴趣。从1782年开始,他用自己做的两个焦距为610厘米,口径分别为30厘米和47厘米的望远镜,进行了深空天体的观测。1789年,他制作出当时世界上最大的反射望远镜,口径为1.2米,焦距为12米。用这个当时性能最好的望远镜,他看到了许多前人从未得见的“星云”,他发现有的星云在望远镜中呈现出与行星类似的视圆面,即看上去像太阳和月亮那样呈圆形,而非点状,于是为这样的星云取名为“行星状星云”,这个名称一直沿用至今。

威廉·赫歇尔制作的当时世界上最大的望远镜

从1782年到1802年,赫歇尔在妹妹的协助下,发现了2 500多个星云、星团,并陆续发表。在此之前,人们所知的深空天体不超过150个。威廉·赫歇尔的发现直接把深空天体带上了一个新的量级,再一次刷新了人们对宇宙的认知!

威廉·赫歇尔几乎将全部精力都投入天文研究,直到50岁才结婚,54岁时他的独生子约翰·赫歇尔出生。在父亲的影响下,小赫歇尔也成了天文学家。1825年,小赫歇尔对父亲和姑姑所发现的星云进行了彻底的核查。他还前往南非的好望角进行了南天星空的观测。在好望角,小赫歇尔特别仔细地观测了大、小麦哲伦星云。对这两个“星云”的观测,开创了河外星系研究的先河。1864年,他发表了《星云星团总表》(GeneralCatalogue of Nebulae and Clusters of Stars),简称GC星表。

大、小麦哲伦星云(实际上它们是银河系的两个伴星系)

NGC星表和IC星表

在赫歇尔家族之后,爱尔兰的天文爱好者罗斯伯爵制造出了更大的望远镜,口径达到1.8米,镜筒长16米。罗斯伯爵招募了几个助手,德雷耶是其中之一。德雷耶用这个口径更大的望远镜发现了更多的星云,同时发现GC星表与自己的测量结果存在不少偏差。他决定对GC星表进行修正和增补。1888年,他编制完成《星云星团新总表》,即NGC星表,其中的天体数量达到了7 840个。

随着不断观测,德雷耶又在1895年和1908年两次发表了NGC星表的补充表——《星云星团新总表续篇》(Index Catalogues),简称IC星表,共包含了5 386个天体。随着天文摄影的出现和发展,IC星表中的很多天体是通过照相发现的。NGC星表是较为全面的天体星表,包含了几乎所有梅西耶天体。所以,我们常常看到一个天体既有M编号,又有NGC编号。

M51 也是NGC5194

随着观测技术的不断完善,NGC星表还在不断修订。1973年,两位天文学家苏林提科和蒂夫特发表了RNGC星表(The Revised New Catalogue of Nonstellar AstronomicalObjects),对NGC星表的数据进行了修订。1988年,天文学家辛诺特又编着出版了NGC2000.0。

其他有趣的深空星表

当年,梅西耶观测时用的望远镜口径只有10厘米;威廉·赫歇尔改进了望远镜后,望远镜口径从30厘米不断扩充至47厘米、1.2米;罗斯伯爵将望远镜口径再一次扩大至1.8米。随着望远镜观测技术的发展,人类观测到的深空天体数量也从110个飞速增长到1万多个……

过去,天文学家还未认识河外星系,所以这三个星表是星团、星云和河外星系的混编。如今,望远镜技术经历了飞跃式的发展,更多的深空天体被发现。天文学家们把这些深空天体区分出来,出现了更多细分的深空星表,而且这些星表的容量一再增长,如亮星系星表RC3囊括了2万多个亮星系,星系表MCG包含了3万多个星系,星系表PGC包含着90多万个星系。除此之外,还有暗星云表Barnard、球状星团星表Arp、星系团表Abell,等等。

Barnard33是着名的猎户座马头星云,它的背后是明亮的发射星云IC434

在没有大型巡天望远镜的年代,一部星表的编制需要天文学家耗费大量的时间和精力。这些星表中成千上万个编号正是天文学家们坚毅、严谨的科学精神的重要体现。400多年前,当伽利略第一次把望远镜指向夜空时,他大概也没想到夜空竟如此绚丽多彩。正是一代代天文学家的不懈努力,我们今天才有幸窥见浩瀚宇宙那无与伦比的美丽!

-完-



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