摄影如何改变天文学，从天空之图到盖亚和欧几里得

最近，欧洲航天局公布了来自盖亚卫星的第三批数据，这份公开目录提供了超过 10 亿颗恒星的位置和速度。这是我们最近的一次尝试，试图回答天文学中一些最为古老的问题：恒星 ( 和星云 ) 在天空中是如何分布的？它们有多少、有多远、有多亮？它们的位置和亮度会发生变化吗？是否有科学所不知道的新种类的天体？

照片显示的是发射星云，船底座埃塔 ( 原名阿古斯埃塔 ) ，使用南非好望角皇家天文台的天文望远镜拍摄。这个复杂星云中心有一颗巨大但不稳定的恒星，未来一天它会发生壮观的爆炸。

几个世纪以来，天文学家一直在试图回答这些问题。这项工作既费力又耗时，用望远镜镜头记录下你看到的东西并不总是那么容易——即使你足够幸运，有一台望远镜。

现在，想象一种新技术，当它出现以后，人们才可能编制盖亚目录。它可以自动地准确记录你看到的东西，并且任何人都可以使用它。

这种技术就是摄影。

这篇文章讲述了摄影如何改变天文学的故事，以及数百名天文学家如何组成第一个国际科学合作组并开展完整的天空摄影调查 "天空之图" 的经过。那次合作历经长达一个世纪的努力，处理了几十年来拍摄的数千张底片，手工测量了数百万颗恒星的位置，制成了最大的夜空目录。

不幸的是，天空之图项目刚启动的时候，我们收集自然世界数据的能力与我们分析它们的能力并不匹配。在这个项目进行的过程中，新仪器的出现使研究遥远天体的物理过程成为可能。通过提供创造新模型来解释世界的机会，新仪器与新技术吸引了与调查项目无关的科学家们参与到天文研究中。

对于致力于研究 " 天空之图 " 的天文学家来说，当时还没有任何模型能够将数百万颗恒星的位置抽象出来，形成一种关于银河系如何演化的理论；相反，研究人员只有一种直觉，即摄影技术可能有助于绘制世界地图。他们的直觉是对的，但许多天文学家花了将近一个世纪的时间、耗费整个职业生涯才有了结果。

摄影和天文学

Carte du Ciel 摄影天空调查使用的格林尼治皇家天文台天文望远镜。该仪器由两个安装在赤道架上的折射望远镜组成。一个用来拍照，另一个用来确保长时间曝光时的准确跟踪，这对于当时的感光性差的胶片来说是必要的。

1839 年，在尼塞费尔 · 尼埃普斯的基础上，法国人路易 · 达盖尔发现了如何在金属板上制作永久图像。而向世界公开这一技术的是巴黎天文台主席、天文学家兼探险家弗朗索瓦 · 阿拉戈。

之前几个世纪，天文学家一直在努力用笔记和手绘草图记录他们在夜空中看到的东西。考虑到早期仪器的光学畸变，要画出你所能看到的东西并不总是那么容易。你可能会 " 观察 " 到根本不存在的东西：可怜的意大利天文学家斯基亚帕雷利在米兰天文台画出的火星上的运河和植被，不过是一种部分归因于大气扰动的光学错觉。只有少数训练有素的天文学家，如卡洛琳和威廉 · 赫歇尔，能立即在一个熟悉的星系中发现一颗新恒星。

摄影可以改变这一切。阿拉戈立刻意识到这项技术的巨大潜力：在深夜拍摄的图像可以在白天轻松地进行定量分析。测量可以很精确，而且可以反复检查。

达盖尔得到了一笔专利费，并允许阿拉戈公开他的研究细节，这导致了巴黎和世界各地肖像工作室数目激增。但事实证明，达盖尔的方法既不够灵敏，也不够实用，无法捕捉到除了最亮的恒星、太阳和月亮之外的任何物体。下一代热门的新技术湿板胶体乳剂，也好不到哪里去：在拍摄暗淡天体所需的长时间曝光中，底片会变干。

天文学家不得不等了 40 年，直到 19 世纪 80 年代，非常灵敏的干照相底片才终于问世。

大彗星和大梦想

实验人员在巴黎天文台汇编 Carte du Ciel 时放大并测量照相底片上的恒星位置。木雕，1895 年。

一个千载难逢的事件使摄影正式成为天文学的常用手段。当时，一颗巨大的彗星从地球旁边掠过。开普天文台的主任大卫 · 吉尔想出了一个绝妙的主意，他将新型的灵敏照相机安装在望远镜上。望远镜底座随着地球的运动而转动，使照相板能够稳定地收集彗星发出的光。吉尔对照片中可见的大量细节感到惊讶，他意识到，有了合适的望远镜和光学设备，人们可能最终能够实现天文学家的古老梦想：绘制一幅天空地图。

这张天空图不是手绘的：它将是精确和定量化的。这些星星可以被记录在照相底片上，它们的数量、位置和亮度将被精确测量。吉尔写信给巴黎天文台的主任穆切斯，表示这一长久以来的梦想现在可能实现。

在 19 世纪末，巴黎天文台是世界上最大的天文学中心之一。自 200 多年前成立以来，天文台的目标是测量地球和天空：天文台的第一任主任、绘制了法国地图的卡西尼在 18 世纪试图用地球周长来定义米。这是一个领导雄心勃勃的 " 天空之图 " 项目的理想机构。

制作能够摄影的望远镜

不幸的是，第一批照相底片非常清楚地暴露了 19 世纪望远镜的局限性。怎样才能使一大片天空的图像尽可能地完美无缺呢？色差是最严重的问题。因为不同波长的光弯曲程度不同，所以每个物体都被彩色光晕包围着。在这样的图像上不可能精确测量恒星的位置。

与此同时，在巴黎，两个才华横溢的配镜师学徒亨利兄弟一直在完善适合照相底片的镜头，他们打磨自己的镜子，测试自己设计的巡天望远镜。他们的成就给穆切斯留下了深刻的印象，于是穆切斯给他们提供了一个天文台的职位，到 1885 年，他们有了一个能够拍摄 3x2 度的巨大天空照片的系统 ( 足够拍摄 24 次满月的空间 ) 。

这时，吉尔和穆切斯确信，人们期盼已久的 " 天空之图 " 终于在技术上可行了。穆切斯把他的项目提交给了科学领域最重要的论坛——法兰西学院。他向博学的院士们保证：依靠世界各地的天文台，这项调查可以在几年内以最低的成本完成。穆切斯是第一个发现这个老生常谈的真理的天文学家：让一个项目获得批准的最可靠的方法是低估它的复杂性和成本。

1887 年国际天文摄影大会的与会者。

不久之后，他和吉尔在巴黎召开了世界上第一次国际天文学会议—— 1887 年的 " 天体学 " 会议——来计划这次调查。一张会议的照片显示，一排排满脸胡须的男子神情严肃，有些人戴着帽子，拄着手杖。亨利兄弟坐在后排，离欧内斯特 · 戈蒂埃 ( Ernest Gautier ) 不远，后者设计了亨利兄弟望远镜和光学镜片所需的固体支架。这张照片是由纳达尔拍摄的，他是当时著名的肖像摄影师。很难确切地说出会议地点；背景是墨黑的，但一定是在天文台的某个地方。

这次会议的目的是就调查的技术参数达成协议。如果从我们现代的角度来阅读会议记录的话似乎会感到奇怪，会议记录几乎没有详细讨论调查的科学目标或测量究竟需要多精确。讨论很简单 : 我们有了天文摄影这种奇妙的新技术，让我们看看能用它实现什么。

描绘天空

1883 年 11 月，亨利兄弟保罗和普洛斯用巴黎天文台的天文望远镜拍摄了这张照片。这张照片展示了仙后座的一个星场，这是摄影技术用来测量和绘制天空的早期例子。该项目分为两部分。在第一个项目 " 天空之图 ( Carte du ciel ) " 中，覆盖整个天空的印版被印在金属上，供以后参考。这些照片的曝光时间为 30 分钟，显示的恒星暗至 14 星等。对于第二组底片 ( " 天文测量 " 项目 ) ，分别进行了 20 秒、3 分钟和 6 分钟的三次曝光，每次曝光完，望远镜都进行轻微的移动，以识别底片的缺陷。

这个项目的目的是识别和编目所有亮于 11 星等的恒星 ( 注意星等系统是对数的：用双筒望远镜能看到的最弱的恒星大约是 10 星等，11 星等的恒星大约是 10 星等亮度的一半 ) 。通过显微镜测量每颗恒星的位置，并将这些位置转换为标准天体坐标系，由此从这些板块中提取出恒星的目录。每个板块的面积为 2 平方度，是满月面积的几倍。

即便如此，覆盖整个天空所需的底盘数量还是非常庞大：22000 个。这项工作由17 个天文台合作负责。在法国，有波尔多、图卢兹和巴黎天文台。在北半球，英国、意大利、芬兰和德国的天文台参与了这个项目。在南半球，墨西哥、巴西、澳大利亚、智利、南非和阿根廷的望远镜保证了较低的赤纬。每个天文台都使用亨利兄弟设计的望远镜以及高提耶的底座，并负责在各自的天空区域内编录和打印底片。巴黎和其他天文台之间通过电报来通信 ( 一位天文台主任在会议上说他们有 " 免费数据 "；他们的电报不需要任何费用 ) 。

尽管哈佛大学的皮克林出席了会议，但没有一个美国天文台选择参加这次调查。美国人认为，相对于在巴黎提出的大规模工作，一个更简单、更快速的调查可能就足够了，他们对有核心组织的大型项目持怀疑态度。

测量恒星

计算恒星在底片中位置的女性：多萝西娅 · 克朗普克，穆勒斯 · 肖特，马凯特，科尼尔，还有多芬。

巴黎天文台成立了一个新的部门来管理这些项目，在 1907 年之前，他们连续召开了五次会议。调查所需的组织规模是惊人的。每个底盘会有 1000 到 2000 颗星星。每个底盘上的星星越多，他们需要的时间就越长，而完整的调查需要超过 100 万颗。计算工作是由一群年轻女性完成的，她们的任务是计算每个底盘上星星的位置。

很快，这个庞大项目的成本开始变得清晰起来。手工计算星星当然很费时，但制作参考金属板更是一项耗资巨大的工作，只有少数天文台能做到。此外，天空中比较接近太阳系平面的部分，有更多的恒星：处理这些问题的天文台显然抽到了下下签来进行这些计数工作。仅仅过了几年，几个天文台就退出了这个项目。

然而，工作进展非常缓慢。与此同时，天文学也在发生变化：自调查开始以后的 30 年里，仪器和光学技术不断发展，使调查开始时的观测部分过时了。

天体物理学的创立

1888 年 12 月 29 日拍摄的仙女座星系照片，曝光时间长达 4 个小时。艾萨克 · 罗伯茨博士是一位业余天文学家，也是天体摄影的先驱，他用 20 英寸口径反射望远镜拍摄了这张照片。

1889 年 2 月 4 日拍摄的猎户座星云照片，曝光时间为 205 分钟。

1889 年 3 月 31 日拍摄的漩涡星系照片，曝光时间为 3.5 小时。

摄于 1888 年 12 月 8 日的昴宿星团及其相关星云，曝光时间长达 4 小时。

1888 年 10 月 3 日拍摄的哑铃 ( 行星状 ) 星云照片，曝光时间长达 3 小时。

1887 年 7 月 14 日摄于狐座的环形 ( 行星状 ) 星云照片，曝光时间为 60 分钟。

与此同时，人们创造和完善了全新的仪器，使测量诸如恒星和星系中元素丰度等物理量成为可能。有了这些仪器，加利福尼亚州新建的大型天文台创造了天体物理学这门新科学。在这些新领域工作所需的技能和知识与创建庞大的天空之图截然不同。

回顾过去，一些天文学家开始认为天空之图项目阻碍了法国的天体物理学诞生。另一些人则持相反的观点：它导致了一个新的 " 天体物理服务 " 集合的诞生 ( 后来成为法国国家研究机构法国科学研究中心、一个新的实验室巴黎天体物理研究所，以及一个位于法国南部上普罗旺斯的相关天文台 ) 。

为什么这些新的实验室如雨后春笋般出现？耗时耗力的 " 天空之图 " 之外，天文学家必须有一些新的项目可做。事实上，有些天体物理学研究可以用天体目录来进行，但是提取相关信息所需的分析技术还不存在。天体物理学的新研究分散了天空之图项目的资源，但调查工作仍在继续。第二次世界大战后，1964 年，国际天文联合会 ( International Astronomical Union ) 终于拍摄完了最后一块底板，并宣布这项工作最终完成 ( 尽管在扩展版的天空之图调查中，实际只拍摄了一半的底片 ) 。

数字化，重新计算一切

不久之后，电脑就出现了。天文学家意识到，这些新工具可以帮助重新分析天文学调查的数千张底片，其中大多数是在 20 世纪初拍摄的。在调查开始的一百年后，天文学家在几十本印刷卷中的 22000 个底板中手动测量了所有恒星的位置，并将它们与第谷和希帕尔科斯等卫星上观察到的更亮的参考恒星相结合。他们推导出了 400 万颗恒星的新位置。

这份新目录提供的百年天空图片为探索天空的变化提供了一个独特的机会。通过测量恒星的运动，天文学家希望能计算出星系周围恒星的轨道，进而计算出银河系的结构。由于恒星每年的移动幅度很小，要精确测量运动，就需要很长的时间跨度。但在随后的几年里，探测器和测量系统的改进造就了精度的指数级增长，而用天文测量确定的运动精度只会呈线性增长。最新一代高度精确的盖亚目录只需要几年的基线，就可以轻松推导出 10 亿颗恒星的运动，而不需要使用任何古老的目录。

从天空之图到盖亚和欧几里得

如今，天文学的发现是由大型国际合作推动的。大多数基础设施项目，从地面望远镜到卫星，已经变得非常庞大和昂贵，没有一个国家有希望完成它们。就像摄影术的黎明一样，每一种新的探测器技术都驱使天文学家试图回答一个简单的问题：用这种仪器观察宇宙会是什么样子 ?

今天，我们正在慢慢地、循序渐进地在所有电磁波谱的波长上建立宇宙的高分辨率图像。其中一些图像被卖给了资助机构，它们关心一些特定的科学问题，但现实总是另一番景象。大多数天文学家希望，大量的数据可以导致的意想不到的新发现。 ( 引力波和基本粒子正在向我们讲述有关宇宙内容的新故事。 )

" 天空之图 " 项目可能没有突破性的发现，但它可能是科学领域旨在利用新技术的大型国际合作的第一个例子。它遇到了现今这类项目通常会遇到的问题：成本超支、人力和计算能力不足、集中管理迟钝、天文学家之间的程式冲突。

尽管存在这些问题，我们还是获得了对宇宙独特的 ( 不可否认的是有缺陷的 ) 观察。《天空之图》为未来的天文发现提供了宝贵的指示。盖亚和未来旨在绘制宇宙地图的项目，比如欧几里得项目，都在当年始于巴黎的路线上前进。