超越太阳系/我是博学家

作者简介

玛丽？凯？卡森，青少年非虚构类书籍作家，自由撰稿人。早年供职于美国学者出版社（Scholastic）教学杂志《超级科学》（SuperScience），之后20多年，为儿童和教师撰写了太空、天气、自然等各类科学和历史主题的50多本书籍。所著《探索太阳系》（Exploring the Solar System）获得2009年美国航空航天学会儿童文学奖，《超越太阳系》（Beyond the Solar System）入选美国俄亥俄州立图书馆2015年和2016年“阅读OHIO”书单。

内容简介

第3章 18 世纪—1915 年：揭开恒星的秘密 威廉？赫歇尔（William Herschel）在制作望远镜部件的时候发现，熔化的金属液体会烧穿熔炉底部。按理说，熔炉是把锡块和铜块熔化成糊状金属，并不会渗漏，所以，赫歇尔认为熔炉有裂缝，积压在裂缝上的金属超过500磅（约227千克）。 就在赫歇尔认为这批金属无法用来制作望远镜镜面的时候，熔炉底部突然裂开，这些高温金属液体一接触到地面就四处迸裂，类似把开水浇在冰块上一样。卡罗琳？赫歇尔（Caroline Herschel） 回忆道：“我的两个哥哥被迫朝相反的方向开门就跑，因为石质地面在不断熔化，四处飞溅，天花板也不能幸免。”赫歇尔的地下室遭遇飞来横祸，最后因高温导致塌陷。天文学可能会很危险，至少在1871年的时候，制作望远镜是件危险的工作。 望远镜有聚光的本领，也就是说，越大的望远镜聚光本领越强。工欲善其事，必先利其器。威廉？赫歇尔立志看到夜空中最暗的星，他需要具有更大镜面的望远镜，于是，他开始走向望远镜制造专家的道路。 正如之前介绍的熔炉事故，制作大望远镜并不是容易的事情。即便金属能成功被混合、熔化、铸模，之后还需要数小时的时间去打磨、抛光，这样才能得到所需的镜面。威廉有时因抛光镜面而连续工作超过16小时，他的妹妹卡罗琳会一直陪在身边并照顾他的饮食。卡罗琳回忆道：“为了保证他能活着，我一直陪伴在他身边并不时喂给他小块食物。” 音乐家出身 我们通常认为在某方面能够做出卓越成就的科学家会有相应的天赋，而赫歇尔兄妹正相反。威廉的全名是弗里德里希？威廉？赫歇尔（Friedrich Wilhelm Herschel），生于德国汉诺威。因为他的父亲是军乐音乐家，所以威廉从小就学习双簧管、小提琴、钢琴和其他乐器的演奏。 少年威廉和他的哥哥加入了军乐团，但他首先是士兵，其次才是音乐家，尤其是在发生战争的时候，这样的身份让威廉感到反感。威廉对血肉横飞和露宿战壕产生了厌倦，于是他在19岁那年逃往英格兰，并将自己的名字改成英文的写法。随后，他在英国成为出色的音乐演奏家和音乐教师。 卡罗琳在她22岁的时候搬到了英格兰的巴斯，此时她的哥哥已经在当地的教堂担任起风琴演奏师。她离开德国是为了帮助哥哥威廉管理家务，同时还加入了他所在教堂的唱诗班，不过这样的生活很快因为威廉的新爱好而被打断。威廉在阅读了关于望远镜的书籍后，深深迷上了天文学。他写道：“世间竟有如此神器可令我细睹天体。”卡罗琳随后步哥哥的后尘，做出很多重大发现，成为令人称赞的天文学家。赫歇尔兄妹携手拉开了现代天文学的序幕。 威廉？赫歇尔和卡罗琳？赫歇尔一生都致力于制作星图和完善星表，他们的星图和星表系统记录了90,000多颗恒星。无论严寒酷暑，赫歇尔兄妹每个夜晚都会观测记录。当太阳升起后，妹妹卡罗琳会整理昨晚的观测资料，哥哥赫歇尔则会改良升级望远镜。随着威廉不断制造出更大、更精良的望远镜，这对天文学家兄妹看到了许多从未被发现的星星。在绘制星图的过程中，兄妹俩联手得到很多令人惊讶的新发现。 威廉一生中最重要的天文观测探索可能就是1781年发现太阳系第七大行星——天王星。不过对于威廉来说，天王星之外的未知天体更吸引他的注意力。 赫歇尔星表中介绍了星等，这是描述恒星亮暗程度的量。古希腊人发明了星等，用数字1 ～ 6 来对应，其中6等星为肉眼所见最暗的星，1等星比6等星亮100倍。按照此标准，星等越低（数字越小）的星越容易被我们看到，原因是这些星更亮。 赫歇尔通过比较日积月累的观测结果，发现了某些恒星的亮度有变化，他称这类恒星为变星。当时人们认为天上的恒星都在离太阳不远的一个大球壳上分布，而变星的发现似乎打破了这一常识，也揭示出恒星的类型是多种多样的。赫歇尔在星表中增加了800 多个双星，这类双星的特点是彼此相互围绕。观测到双星的事实进一步说明，恒星在天空中并非固定不动，同时论证了牛顿运动定律的普适性。 人物 威廉？赫歇尔和卡罗琳？赫歇尔 威廉？赫歇尔（1738—1822）是卡罗琳？卢克雷蒂娅？赫歇尔（Caroline Lucretia Herschel，1750—1848）的哥哥，他们在德国出生，都是天文学家。威廉？赫歇尔被认为是现代恒星天文学之父，也是发现太阳系第七大行星——天王星的天文学家。 威廉在他中年的时候才开始对天文学产生兴趣，之前他的职业是音乐家。他精湛的手艺帮助他成为当时最杰出的望远镜制造大师。1781年，威廉在家中用自制的反射式望远镜发现了天王星。为表彰威廉的伟大成就，乔治三世（George III）聘请他为皇家天文学家，并每年给予他的妹妹兼助手卡罗琳一定数额的酬金。 赫歇尔兄妹在接受聘请后变成全职天文学家。卡罗琳专注于寻找彗星，一生中发现了8颗彗星、3个未知星云，是一位杰出的彗星猎手。 威廉在1816年被封爵。他去世后，人们在他的墓志铭上写道：“他（威廉？赫歇尔）消除了我们观测天空的障碍。” 威廉？赫歇尔的儿子约翰？赫歇尔（John Herschel，1792—1871）继承父亲的衣钵，研究双星理论，制定了南天星云星表，也是将照相术引入天文学研究的先驱之一。 动手做 制作三维星空背景 我们把天空想象成穹顶，当夜幕降临，不同的恒星在穹顶上组成特定的图案——星座， 但是星座终归是人类的想象，不是真实存在于宇宙中的实物。其实在宇宙中， 构成星座的每颗恒星到地球的距离都是不一样的，彼此之间也往往相距甚远。本活动将会带你以不同的视角观察熟悉的星座。 你需要准备： ？ 放大版的猎户座星座图样 ？ 盘状泡沫塑料或者纸箱包装壳 ？ 胶水 ？ 一张黑色纸 ？ 图钉若干 ？ 7 根钓鱼线或者可系重物的线，每根长度约为46厘米 ？ 胶带 ？ 珠子、垫圈或六角螺母若干 ？ 钢笔 ？ 剪刀 步骤一 绘制一张猎户座的星图，要求包含7颗主要亮星。你可以借助猎户座的图片，也可以简单画出7个点。图案大小（7颗星星的组合）要和你所选的泡沫塑料或包装壳面积相匹配，不宜过大或者过小，建议选取猎户肩膀到膝盖之间的区域，不必绘制完整的猎户座。 步骤二 用胶水分别将猎户座星图和黑色纸粘在泡沫塑料或包装壳的正反面。 步骤三 用图钉小心地在泡沫塑料或包装壳上戳出7个洞，洞的位置和7颗星星的位置相重合。 步骤四 将准备好的7根钓鱼线或可系重物的线穿过之前戳出的7个洞，建议打结或用胶带固定在有星图的一面，最终保证每个洞都有一根线。 步骤五 集中7颗“恒星”。你可以选取珠子、垫圈或者六角螺母，保证“恒星”在自由悬挂时可以因自身的重量保证线处在拉紧的状态。最后根据上述表格中的数据来判断打结的位置。例如，参宿七距离我们800光年，所以我们用20厘米代表800光年。我们在黑纸面参宿七的细线上量取20厘米，用钢笔做标记，然后将“恒星”固定在标记处，打结固定。重复上述步骤，直至完成7颗恒星。如果你有恒星贴纸，建议在完成后贴在“恒星”上。 步骤六 请朋友帮忙托起你的移动星图，保持水平并让所有的“恒星”自由下垂，没有打结。现在你可以在不同的位置以不同的角度观察猎户座，也包括在星图下方向上仰望。 想一想：每一个角度有着怎样的不同？哪一个角度和我们在冬天看到的相同？ 小知识 梅西叶星云星团表 查尔斯？梅西叶（1730—1817）在14岁那年第一次目视彗星，之后就变得一发而不可收，他终其一生发现了13颗彗星，成为名副其实的彗星猎手。 梅西叶在搜寻彗星的过程中，经常被一些看起来像彗星的深空天体干扰。为了让后人不重复他的老路，梅西叶编制了一套星云星团表——1784星云星团表，该表共有103个深空天体，包括星云、星团和星系。 表中大部分深空天体都是梅西叶本人发现的。后人为了纪念梅西叶的工作，将表中大部分天体称为梅西叶天体，以M和数字的组合命名。例如，昴星团（M45），仙女座大星系（M31）。 后 记 接下来我们会发现什么 接下来的数十年里，什么会是天文学家、观星者、空间科学家发现在即的天体或现象？ 接下来的时光里，虽然我们能学到关于宇宙的什么还很难说，但我们保证会有新发现。为什么？因为许多基本的问题还留待解答！暗能量塑造了宇宙，而我们对它们一无所知——甚至不知道如何去探测。从超新星是如何发生的，到宇宙线来源于何处，这些事情依旧神秘。 天文学和天体物理学中正在进行的研究目前主要集中在三个主要的基本问题上，总结如下： ● 宇宙的诞生：世间万物是如何形成现在的样子的？这个问题研究宇宙是如何诞生和产生星系的。 ● 宇宙的物理：什么组成了宇宙，它们又是怎样运行的？这个问题学习所有种类的物质、能量、空间和时间的运作、相互作用及它们是如何让一切发生的。 ● 新世界：我们是否孤独？围绕其他恒星的行星和行星系统能为我们太阳系的行星是如何诞生的提供线索，总有一天也能带领我们去往能够发现生物的难以想象的新世界。 如何研究这些问题，揭露它们的答案？技术在数个世纪中已经为无数发现助力——从最早的磨制镜片以制造望远镜到人造卫星和电脑，再到新的射电和光学望远镜、粒子对撞机等技术成果，都进一步打开了科学家的眼界。同样，现在也有舰队规模的轨道天文台、人造卫星和空间望远镜等待着发射。核光谱望远镜阵列（NuSTAR）会从高能X射线窗口研究宇宙；双子座多共轭自适应光学系统（GEMS）会细致研究黑洞和中子星；空间技术7太空激光干涉仪探路者任务（ST-7/Lisa Pathfinder）会探测和测量引力波；而揭开暗能量和暗物质的谜团属于瞳（Astro-H）卫星上搭载的一套望远镜的研究范畴。 随后， 还会有詹姆斯？韦伯太空望远镜（JWST）。这个太空望远镜定于2018年发射，它将延续哈勃空间望远镜的观测。与“哈勃”一样，“韦伯”在数十年的生命历程中将会成为世界范围内数以千计研究者共享的工具。不同于“哈勃”的是，“韦伯”将主要在红外波段摄制图像。还记得物体越远，回溯的时间越久吗？在红外波段观测能够让“韦伯”看到最早一批星系的诞生，这些星系飞快地远离我们，以至于它们的光纤趋于电磁波谱的红端。 收集遥远到接近宇宙大爆炸的足够光线是复杂的事情。红外线是热量，因而为了探测到遥远的热量，望远镜需要超级冷的环境，因此，有必要搭载一个冷却单元，关键是放在遥远的太空里。“韦伯”不会环绕地球，而会运行在距离地球150万千米的位置上。它还会拥有一个巨大的6.5米的主镜来接收红外线。它的主镜是“哈勃”的7倍大小，因此，工程师把它设计成拼接镜片，可以在发射过程中折叠起来，到太空中再展开。“韦伯”有希望再次改变我们对宇宙及我们所在位置的看法。 本书是一部浓缩的高价值天文史巡礼。卡森在传达重大科学突破的工具和重要性方面，表现出了不同寻常的高超技巧，把极为复杂的主题解释得异常清晰。本书足以匹配其姊妹篇《探索太阳系》。——《书单》 推荐给所有对学习有热情的孩子，不仅对于夜空，还面向科学史的方方面面。本书拥有大量插图和实践活动，可以增加读者对主题的理解，激发孩子的求知欲，希望他们有一天能够加入书中伟人的行列。——美国国家空间学会（NSS） 本书是天文爱好者的极佳参考工具。把历史故事与实践活动结合是一种新颖的讲述方法，肯定会吸引和激发青少年读者的兴趣。所配照片引人注目，图表解释直观……本书是学校图书馆或新晋天文学家的重要藏书。——美国科学教师协会（NSTA）