今天博雅哥給大家?guī)?lái)牛津通識(shí)讀本《天文學(xué)簡(jiǎn)史》的第六章《探索恒星宇宙》。《天文學(xué)簡(jiǎn)史》由劍橋大學(xué)科學(xué)史和科學(xué)哲學(xué)系主任邁克爾·霍斯金撰寫。本書(shū)從史前農(nóng)夫利用天上的星辰判斷季節(jié)的更替開(kāi)始敘述，以時(shí)間線索貫穿牛頓、托勒密、哥白尼、伽利略等重要科學(xué)家對(duì)于天文學(xué)的貢獻(xiàn)，天文學(xué)的學(xué)科發(fā)展史在邁克爾·霍斯金的筆下展現(xiàn)出了十足的趣味性。
歐文·金格里奇教授這樣曾這樣評(píng)價(jià)：全世界能夠描繪出如此宏偉畫(huà)卷的專家屈指可數(shù)，博學(xué)多識(shí)的邁克爾·霍斯金是其中一位。他從浩繁的史料中理出了一條主線。他的敘述嚴(yán)謹(jǐn)、明晰、詳略得當(dāng)。
本章內(nèi)容主要介紹科學(xué)家對(duì)于恒星研究路徑方法和結(jié)論看法的演變。希望能為各位提供一個(gè)基礎(chǔ)的知識(shí)概覽，并引發(fā)各位深入挖掘的興趣。
《探索恒星宇宙》[英] 邁克爾·霍斯金 陳道漢 譯
直到 1572年，天王星家才把“固定的”恒星——不只是在位置上，而且在亮度上都是固定不變的——視為行星運(yùn)動(dòng)的背景。當(dāng)然，事實(shí)上恒星具有越過(guò)天空的獨(dú)特或“固有”的運(yùn)動(dòng)，但是星際距離是如此之大，以至于即使是發(fā)自最近恒星的光也要幾年后才會(huì)到達(dá)地球。結(jié)果，自行幾乎是不可察覺(jué)的，除非在很長(zhǎng)的時(shí)標(biāo)上；因而，文藝復(fù)興時(shí)期觀測(cè)者所見(jiàn)的恒星的位置與托勒密賦予它們的位置沒(méi)有什么不同（除了歲差的總效應(yīng)之外）。
沒(méi)有注意到亮度的變化可能是更令人驚訝的。雖然大多數(shù)恒星，比如太陽(yáng)，幾乎是不變的，少數(shù)恒星被一個(gè)伴星交食后亮度衰減，其他恒星則會(huì)經(jīng)受較大的物理改變，無(wú)論是規(guī)則的還是不規(guī)則的，從而發(fā)生亮度變化。但是這些變星中沒(méi)有一顆能亮到使其亮度變化讓中世紀(jì)觀測(cè)者相信天區(qū)是變化的。當(dāng)你已經(jīng)知道改變已是不可能時(shí)，為什么要尋找改變呢？
大自然喚醒了我們，1572年新星的出現(xiàn)（正如第谷所見(jiàn)，參見(jiàn)第四章）使我們相信了恒星是會(huì)變的，從而燃起了我們對(duì)它的興趣。另一顆這樣的新星則在 1604年爆發(fā)，它在歐洲造成了驚恐和沮喪。8 個(gè)世紀(jì)以來(lái)的第一次，緩慢運(yùn)動(dòng)的行星木星和土星在黃道帶致命的“火焰區(qū)”相合；新星在它們中間閃耀，火星也參與其中——能想象到的最不祥的占星事件。
現(xiàn)在沒(méi)有人懷疑天空會(huì)發(fā)生變化。的確，還有人談到出現(xiàn)于鯨魚(yú)座的另一顆新星，但是它要暗一些，在它暗淡下去和消失之前，只有一個(gè)觀測(cè)者見(jiàn)到過(guò)它。1638年，鯨魚(yú)座成為第二顆新星的宿主（或者說(shuō)，看起來(lái)是如此）；像它的前任那樣，它逐漸變暗并且消失——但是在它的發(fā)現(xiàn)者能夠發(fā)表他的描述之前，它又重現(xiàn)了，這使他很驚訝。它繼續(xù)每隔一段時(shí)間就消失和重現(xiàn)，1667年，伊斯梅爾·布里奧（1605—1694）宣布這顆“奇妙的星”每隔11個(gè)月達(dá)到其最大亮度；它的運(yùn)動(dòng)在某種程度上是可以預(yù)報(bào)的，因而是有規(guī)律的。
布里奧繼續(xù)給出了變星的一個(gè)物理解釋，那是一個(gè)非常巧妙的解釋。他指出，太陽(yáng)黑子的變化表明，太陽(yáng)本身——此時(shí)僅僅被認(rèn)為是最靠近我們的恒星——嚴(yán)格說(shuō)來(lái)是變化的。而且太陽(yáng)黑子的轉(zhuǎn)動(dòng)證明了太陽(yáng)整體是自轉(zhuǎn)的，其他恒星無(wú)疑亦是如此。然后設(shè)想一顆布滿黑斑而不僅僅是太陽(yáng)黑子的自轉(zhuǎn)恒星；每當(dāng)一塊黑斑朝向我們時(shí)，我們將看到恒星的亮度減弱，這將隨著恒星的每一次自轉(zhuǎn)而有規(guī)律地發(fā)生。但若黑斑本身像黑子那樣不規(guī)則地變化，則將造成亮度的不規(guī)則變化。用這種方式，布里奧能夠說(shuō)明規(guī)則的和不規(guī)則的變化。的確，他成功地從物理學(xué)角度解釋了變星，天文學(xué)家心滿意足地宣布了他們關(guān)于特殊恒星變化的發(fā)現(xiàn)。但是，這些宣布既不易被證實(shí)又不易被證偽；被說(shuō)成是變星的天體的數(shù)目激增，整個(gè)論題可說(shuō)是聲名掃地。
到了 18 世紀(jì)末，當(dāng)威廉·赫歇爾發(fā)表了一系列《恒星的比較亮度表》時(shí)，核實(shí)這樣的宣布的任務(wù)就被簡(jiǎn)化了。在這些表中，赫歇爾將恒星與其附近具有相似亮度的恒星仔細(xì)地比對(duì)，如此一來(lái)，其中一顆恒星的變化將會(huì)擾動(dòng)已發(fā)表的比較星從而顯露其自身。赫歇爾推廣了一種方法，按亮度等級(jí)排列恒星的序列，這個(gè)方法在 18 世紀(jì) 80年代早期被兩位業(yè)余天文學(xué)愛(ài)好者所發(fā)展，他們是英格蘭北部約克市的一對(duì)鄰居。愛(ài)德華·皮戈特（1753—1825）是一位有造詣的天文觀測(cè)家的兒子；他的年輕朋友約翰·古德里克（1764—1786）是個(gè)聾啞人，他熱情地接受了邀請(qǐng)，參與了變星的研究。
他們?cè)敿?xì)研究的恒星之一是大陵五，一個(gè)世紀(jì)之前，它曾有兩次被報(bào)告為四等星，而不是通常的二等星。1782年11月7日，大陵五仍是二等星，但 5 天后，它減弱為四等，次夜，又變回到二等。如此速率的變化前所未有，所以這兩人一直監(jiān)視這顆恒星。12月28 日，他們的努力得到了回報(bào)：黃昏時(shí)他們見(jiàn)到的大陵五為三等或四等星，但就在他們眼前，它增亮為了二等。皮戈特馬上懷疑大陵五正被一顆衛(wèi)星所食，次日他向古德里克送出一份報(bào)告，在那里面，他假設(shè)在 11月12日至12月28日間的46天里，衛(wèi)星完成了一個(gè)或兩個(gè)軌道，并由此計(jì)算出了這顆假想中的衛(wèi)星未來(lái)的軌道。事實(shí)上，在即將到來(lái)的幾個(gè)月中，他們的觀測(cè)表明，衛(wèi)星——如果的確是這種解釋——繞大陵五運(yùn)轉(zhuǎn)一周不足 3 天。對(duì)天文學(xué)來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)迄今未知的現(xiàn)象。
圖為大陵五示意圖
皮戈特慷慨地將向英國(guó)皇家學(xué)會(huì)正式報(bào)告之事留給了他的殘疾朋友，但十多歲的古德里克只是說(shuō)交食理論為可能的原因之一，和傳統(tǒng)的黑斑說(shuō)一樣。皮戈特事實(shí)上是對(duì)的——大陵五的確是被一顆伴星所食——但是這兩位朋友最終又回到了黑斑解釋，可能是因?yàn)樗麄冨e(cuò)誤地認(rèn)為他們看到了大陵五光變曲線中的不規(guī)則性，或是因?yàn)樗麄儼l(fā)現(xiàn)的另外 3 顆短周期變星不能用交食理論說(shuō)明。事實(shí)上，其中兩顆是造父變星，即迅速升至最大亮度而后緩慢變暗的脈動(dòng)恒星，有一天它們會(huì)被埃德溫·哈勃和他的同時(shí)代人用作距離指示物。
結(jié)果是 18 世紀(jì)天文學(xué)貢獻(xiàn)出了一族新的變星，它們的周期只有幾天，但在理解這些現(xiàn)象的物理原因方面，進(jìn)展甚微。
皮戈特和古德里克曾見(jiàn)到大陵五的亮度在幾小時(shí)內(nèi)發(fā)生變化。相比之下，位置的變化則要在很長(zhǎng)時(shí)間后才能觀測(cè)到。相對(duì)而言，只有很少的恒星具有高達(dá)每年1弧秒的自行，已知最大的自行也只是剛剛超過(guò)10弧秒。這樣的運(yùn)動(dòng)只有在比較了恒星的現(xiàn)在位置與記錄在星表中的早先位置后才能發(fā)覺(jué)；在其他條件相同時(shí)，距離早期星表的時(shí)間間隔越長(zhǎng)，得到的自行值就越精確。但不幸的是，其他條件并非相同；當(dāng)我們沿時(shí)間回溯時(shí)，精度標(biāo)準(zhǔn)下降，早期星表中任何不精確的恒星位置將會(huì)影響所得出的自行精度。
古代唯一的星表在托勒密的《天文學(xué)大成》中；1718年愛(ài)德蒙·哈雷用這張星表定出黃道傾角——黃道對(duì)赤道傾斜的角度——的變率時(shí)，認(rèn)識(shí)到 3 顆恒星定然是相互獨(dú)立地運(yùn)動(dòng)著。
此時(shí)哈雷進(jìn)一步研究這個(gè)問(wèn)題就不容易了，因?yàn)檫^(guò)去唯一一張有價(jià)值的星表就是第谷的星表了。它比托勒密的星表要精確得多；但是它距此時(shí)只有一個(gè)世紀(jì)多一點(diǎn)，并且它的作者只是粗糙地處理折射，即星光進(jìn)入地球大氣后的彎曲（它影響了恒星在天空中的觀測(cè)位置）。不過(guò)，未來(lái)的幾代人能夠用上約翰·弗拉姆斯蒂德在格林尼治精心編制的《不列顛星表》作為時(shí)間的起點(diǎn)去量度恒星的自行了。
或許只是看起來(lái)如此。但是后來(lái)在 1728年，詹姆斯·布拉德雷（1693—1762）宣布了一個(gè)完全出人意料的復(fù)雜情況：“光行差”。光的速度很大，但是，正如上世紀(jì)晚期對(duì)木星衛(wèi)星交食的觀測(cè)所表明的，它仍然是有限的。當(dāng)木星靠近地球，攜有交食信息的光不必走那么遠(yuǎn)時(shí)，交食會(huì)提前發(fā)生。當(dāng)木星離開(kāi)太陽(yáng)背面時(shí)，交食會(huì)推遲發(fā)生。
比較起來(lái)，地球在其繞日軌道上的速度是小的，但它又大到足以影響恒星的觀測(cè)位置。在觀測(cè)者看來(lái)，一顆恒星位于星光到達(dá)的方向上；這個(gè)方向隨著地球運(yùn)動(dòng)方向的改變而（微微地）改變——如同事實(shí)上垂直落下的雨似乎從我們向之運(yùn)動(dòng)的方向上打在我們的臉上一樣。
我們將在本章的后面看到布拉德雷是怎樣發(fā)現(xiàn)了光行差。他的發(fā)現(xiàn)暗示，即使是用《不列顛星表》作自行測(cè)量的時(shí)間起點(diǎn)也是有嚴(yán)重缺陷的。當(dāng)布拉德雷在 1748年宣告地球的軸有“章動(dòng)”或擺動(dòng)時(shí)，該星表的另一個(gè)欠缺也暴露了出來(lái)。這是因?yàn)榈厍虿皇且粋€(gè)理想的球體，太陽(yáng)和月球?qū)Φ厍虻囊瓌?dòng)有變化，并且這也引起了用于測(cè)量恒星位置的坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)。
圖為光行差示意圖
布拉德雷本人在 1742年成為了皇家天文學(xué)家。從 1750年起直到他的健康開(kāi)始衰退為止，他執(zhí)行著一項(xiàng)觀測(cè)計(jì)劃，在其中他謹(jǐn)小慎微地記錄著能夠影響恒星觀測(cè)位置的所有情況。但是他自己沒(méi)有能來(lái)得及“歸算”他的觀測(cè)——作出為導(dǎo)出他的恒星的真正位置所需的計(jì)算。歸算直到 1818年才完成，當(dāng)時(shí)偉大的德國(guó)數(shù)學(xué)家弗里德里?！ね柡柲贰へ惾麪枺?784—1846）出版了貼切命名的《天文學(xué)基礎(chǔ)》，該書(shū)包含了 1755年超過(guò) 3000 顆恒星的位置，那時(shí)正是布拉德雷觀測(cè)計(jì)劃中一個(gè)方便的時(shí)間。從那以后，19 世紀(jì)的天文學(xué)家能夠?qū)⒁活w恒星的現(xiàn)時(shí)位置與《基礎(chǔ)》中給出的該恒星在 1755年的位置作比較，從而確定每年運(yùn)動(dòng)著的恒星在這段時(shí)間間隔中穿越天空有多遠(yuǎn)。
布拉德雷自己在 1748年指出，所有的自行都是相對(duì)的：我們并沒(méi)有觀測(cè)到一顆恒星在絕對(duì)空間中怎樣運(yùn)動(dòng)，而只是觀測(cè)到它相對(duì)于我們?nèi)绾芜\(yùn)動(dòng)。12年之后，圖比亞斯·邁耶爾討論了這一點(diǎn)的含義。如果除了太陽(yáng)以外，每顆恒星都是靜止的，則太陽(yáng)系通過(guò)空間的運(yùn)動(dòng)會(huì)向我們揭示其在恒星之間的（視）運(yùn)動(dòng)樣式。所以，已知自行中的任一樣式可能反映了太陽(yáng)系的一種運(yùn)動(dòng)；剩余運(yùn)動(dòng)將會(huì)是單顆恒星本身的剩余運(yùn)動(dòng)。
一個(gè)現(xiàn)代的類比闡明了這樣一種樣式是怎樣的。如果在城市里夜間駕駛一輛小汽車，一簇遠(yuǎn)處的車燈似乎合成一束，但當(dāng)我們靠近時(shí)，它們似乎又分開(kāi)了。同時(shí)，我們左邊的街燈似乎在反時(shí)針運(yùn)動(dòng)，而我們右邊的街燈似乎在順時(shí)針運(yùn)動(dòng)。
邁耶爾沒(méi)有在他所知的（不可靠的）自行中找到這樣的樣式，但在 1783年，威廉·赫歇爾——有一段時(shí)間完全撲在他的書(shū)桌上工作——相信他已經(jīng)找到了一種樣式，這種樣式意味著太陽(yáng)系正向著武仙座運(yùn)動(dòng)。今天，無(wú)人懷疑他的結(jié)論，但是他的論據(jù)經(jīng)不起仔細(xì)的調(diào)查。一代人以后，貝塞爾發(fā)現(xiàn)了找出可靠自行的方法，當(dāng)時(shí)的那幾個(gè)月他的《基礎(chǔ)》正在印刷，并且他擁有了闡明任何一種運(yùn)動(dòng)樣式所需要的全部數(shù)學(xué)才能，但是他只留下了一片空白。
到了 1837年，天文學(xué)家才相信一種解決方案就在眼前。在那一年，波恩的天文學(xué)教授阿格蘭德?tīng)枺?799—1875）發(fā)表了不少于 390 個(gè)自行的分析。他將自行按大小劃分成 3 組，每組獨(dú)立地給出了一個(gè)太陽(yáng)向點(diǎn)的方向，離赫歇爾提出的方向不遠(yuǎn)。他的結(jié)論很快被其他天文學(xué)家的分析所證實(shí)，但是這些全都依賴于同一基本資料——布拉德雷在英格蘭對(duì)恒星所作的觀測(cè)。但是拉卡伊（1713—1762）在 1751—1753年造訪了好望角并且定出了差不多 10000 顆恒星的位置，這些南天恒星中有部分在 19 世紀(jì)的位置當(dāng)時(shí)也已經(jīng)知道。1847年，保險(xiǎn)統(tǒng)計(jì)員托馬斯·加羅威（1796—1851）分析了 81 個(gè)自行（它們同布拉德雷完全無(wú)關(guān)）并且導(dǎo)出了一個(gè)方向，與基于北天恒星資料導(dǎo)出的方向相似。此后沒(méi)有人再懷疑太陽(yáng)系正按武仙座方向運(yùn)動(dòng)，對(duì)于已知自行——隨著時(shí)間推移而在數(shù)量和精度上大大增加的一覽表——的進(jìn)一步分析只被用來(lái)完善這個(gè)理論。
恒星有多遠(yuǎn)？ 對(duì)于古時(shí)的托勒密和 16 世紀(jì)晚期的第谷·布拉赫來(lái)說(shuō)，固定的恒星只是在最外的行星之外。但若哥白尼是對(duì)的，則每 6 個(gè)月，我們就能從長(zhǎng)度為地球繞日半徑兩倍（兩個(gè)“天文單位”）的巨大基線的相反兩端觀測(cè)恒星。正如我們已經(jīng)看到的那樣，即使第谷用他的精密儀器也不能檢測(cè)出恒星之間會(huì)產(chǎn)生的視運(yùn)動(dòng)（“周年視差”），他很合理地將此視為了對(duì)日心假設(shè)的駁斥。
問(wèn)題部分出在觀測(cè)的性質(zhì)：當(dāng)月份過(guò)去時(shí)，溫度和濕度的季節(jié)變化將造成儀器的翹曲，空氣壓力的改變會(huì)使折射發(fā)生變動(dòng)等。伽利略像往常一樣機(jī)靈，他想到了一個(gè)辦法來(lái)克服這些困難。假設(shè)兩顆恒星相對(duì)于地球位于幾乎同一方向，并且假設(shè)一顆比另一顆要遠(yuǎn)得多。
較遠(yuǎn)的恒星要比較近者有小得多的視差；這意味著，如果我們?nèi)缓雎暂^遠(yuǎn)恒星的視差并且取它為天空中的一個(gè)準(zhǔn)固定點(diǎn)，再由它來(lái)測(cè)量較近恒星的視差，我們也不會(huì)錯(cuò)得太離譜。但這樣做的便利非常明顯，因?yàn)檫@兩顆恒星將因儀器的任一翹曲、折射的改變等等受到相等的影響，可將這樣的復(fù)雜效應(yīng)從考慮中剔除。
懶惰一如往常的伽利略并沒(méi)有證實(shí)他自己的觀點(diǎn)，好多年后才取得了進(jìn)展。與此同時(shí)，勒內(nèi)·笛卡爾讓學(xué)界相信，恒星是太陽(yáng)，而太陽(yáng)只是我們區(qū)域內(nèi)的恒星。這是對(duì)恒星距離問(wèn)題的一種新觀點(diǎn)。
倘若空間是完全透明的，光就會(huì)按照距離的平方律衰減。所以，如果太陽(yáng)被移至比它現(xiàn)在遠(yuǎn)上 1000 倍處，它的亮度將只有其現(xiàn)有亮度的百萬(wàn)分之一。
現(xiàn)在假定恒星不止性質(zhì)上相似于太陽(yáng)而且在物理上恒同于太陽(yáng)，這樣從物理上來(lái)說(shuō)，天狼星（還有其他恒星）是太陽(yáng)的雙胞胎兄弟。于是如果天狼星的亮度是太陽(yáng)亮度的百萬(wàn)分之一，假定空間是透明的，那么我們就會(huì)知道天狼星要比太陽(yáng)遠(yuǎn)上 1000 倍。
圖為伽利略檢測(cè)周年視差的方法，測(cè)量一顆近鄰恒星相對(duì)于一顆背景恒星的周年視運(yùn)動(dòng)
但是，人們?cè)鯓釉诿髁撂?yáng)的輝光和恒星的暗光之間作比較呢？ 荷蘭物理學(xué)家克里斯蒂安·惠更斯（1629—1695）在他自己和太陽(yáng)之間放置一屏幕，其上鉆一小孔。他的意圖是改變孔的大小，直至穿過(guò)小孔的這部分可見(jiàn)光在亮度上與天狼星相等，然后計(jì)算太陽(yáng)的什么部分是可見(jiàn)的。這是一種粗略的辦法，但是他的結(jié)果——天狼星距離我們 27664 天文單位——是1698年被發(fā)表后超過(guò)四分之一個(gè)世紀(jì)中被印出來(lái)的唯一估算，因而被廣泛地引用。明顯地，恒星離我們很遠(yuǎn)。
與此同時(shí)，除了他的小圈子以外所有人都不知道的是，艾薩克·牛頓采用蘇格蘭數(shù)學(xué)家詹姆斯·格里高利（1638—1675）的獨(dú)創(chuàng)性建議已經(jīng)取得了好得多的進(jìn)展。在一本出版于 1668年的很少有人注意的書(shū)中，格里高利提出用一顆行星代替天狼星來(lái)簡(jiǎn)化亮度比較。直到該行星在亮度上與天狼星相等，人們才利用太陽(yáng)系內(nèi)的尺度知識(shí)，將直接照射到地球的太陽(yáng)光與通過(guò)該行星反射到地球的太陽(yáng)光相比較。按照這一思路，牛頓將天狼星放在 1000000 天文單位處。碰巧，天狼星比那個(gè)距離的一半還要遠(yuǎn)一些，故而，牛頓的熟人此時(shí)完全意識(shí)到了太陽(yáng)與鄰近恒星之間距離之大。
但是，每顆恒星是太陽(yáng)的一個(gè)雙胞胎兄弟這種暫時(shí)的假設(shè)是無(wú)法替代對(duì)于特定恒星周年視差（和由此得出的距離）的實(shí)際測(cè)量的。羅伯特·胡克想到，因?yàn)樘忑堊?γ 從他倫敦寓所的頭頂通過(guò)，所以它的星光不受大氣折射的影響。他將望遠(yuǎn)鏡的部件與房子的實(shí)際構(gòu)造結(jié)合起來(lái)，嘗試著規(guī)避觀測(cè)儀器季節(jié)性翹曲的危險(xiǎn)。雖然望遠(yuǎn)鏡天文學(xué)尚處于其初級(jí)階段，但胡克設(shè)計(jì)并建造了一架望遠(yuǎn)鏡，只為了在恒星通路上的某一時(shí)刻作觀測(cè)。
胡克雖然足智多謀但卻沒(méi)有堅(jiān)持不懈： 1669年他的疾病和一個(gè)望遠(yuǎn)鏡透鏡事故使他停止了努力，他僅僅作了 4 次觀測(cè)。但是他的方法有許多可以推薦之處。18 世紀(jì) 20年代中期，一個(gè)富裕的英國(guó)業(yè)余愛(ài)好者塞繆爾·莫利紐克斯（1689—1728）決定作另一次嘗試，去測(cè)量天龍座γ的周年視差。他邀請(qǐng)詹姆斯·布拉德雷參與了他的工作，并且委托一個(gè)杰出的制造商喬治·格雷厄姆制作了一具“天頂扇形儀”。這架有垂直望遠(yuǎn)鏡的儀器被安裝在了莫利紐克斯家的煙囪上，當(dāng)恒星從頭頂越過(guò)時(shí)，望遠(yuǎn)鏡的鏡筒稍微傾斜，以使恒星從視場(chǎng)中央通過(guò)。傾斜的角度可以按天頂扇形儀的刻度測(cè)量出來(lái)，以給出恒星相對(duì)于垂線的角距離。
簡(jiǎn)單的計(jì)算表明，天龍座γ應(yīng)當(dāng)在圣誕前一星期到達(dá)一個(gè)極南的位置，所以布拉德雷覺(jué)得奇怪，他在12月21日看到它從頭頂通過(guò)，明顯比一星期前位置更靠南。到了次年3月，它應(yīng)當(dāng)向北移動(dòng)時(shí)，它走到了比其12月時(shí)的位置更靠南大約20弧秒處。然后這顆恒星停下來(lái)走回頭路，到6月回到它在頭年12月時(shí)的位置并且在 9月到達(dá)其最北端。
莫利紐克斯和布拉德雷這兩位朋友爭(zhēng)論著各種解釋——是否有一種地軸的運(yùn)動(dòng)從而導(dǎo)致了我們用以測(cè)量恒星位置的坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)？ 或者地球大氣因行星通過(guò)空間遭到了畸變，使得大氣折射意想不到地影響到了測(cè)量？ ——但是沒(méi)有結(jié)果。布拉德雷委托格雷厄姆制作了另一架天頂扇形儀，這次有了更廣闊的視場(chǎng)，能觀測(cè)到更多的恒星，因此他建立了恒星運(yùn)動(dòng)的樣式；但是，它們的解釋使他困惑。后來(lái)有一天，在泰晤士河的一 條船上，他注意到當(dāng)船轉(zhuǎn)向時(shí)，船上的風(fēng)向標(biāo)也隨之轉(zhuǎn)向——當(dāng)然不是因?yàn)轱L(fēng)改變了方向，而是因?yàn)榇淖兞撕匠?。他現(xiàn)在意識(shí)到星光同樣是從改變著的方向抵達(dá)觀測(cè)者，因?yàn)楫?dāng)?shù)厍颦h(huán)繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，觀測(cè)者也改變著位置。
1729年向皇家學(xué)會(huì)宣布的光行差的發(fā)現(xiàn)是重大的，其中有幾大理由。它是地球繞日運(yùn)動(dòng)的第一個(gè)直接證據(jù)。因?yàn)樗泻阈鞘艿较嗨频挠绊?，所以這說(shuō)明光的速度是自然界的一個(gè)常數(shù)。它揭示了（如同我們?cè)缦瓤吹降模┰谶^(guò)去的恒星位置測(cè)量（包括弗拉姆斯蒂德的測(cè)量）中有一個(gè)完全意想不到的錯(cuò)誤。連精度確切的布拉德雷的天頂扇形儀也不能觀測(cè)到周年視差，因此恒星必定位于至少 400000 天文單位處。
就在前一年，牛頓遺作《宇宙體系》的出版公開(kāi)了他的估計(jì)。的確，這基于恒星之間的物理一致性這一工作假設(shè)——認(rèn)為天狼星位于百萬(wàn)天文單位處。這兩個(gè)結(jié)果——一個(gè)給出實(shí)際距離但是立足于一個(gè)有問(wèn)題的假設(shè)，另一個(gè)則給出最小距離但是基于直接測(cè)量——合在一起使天文學(xué)家相信，恒星距離的尺度終被了解了。
其中隱含著一個(gè)不受歡迎的結(jié)論：周年視差最多為1或2弧秒，這個(gè)角度是那么小，相當(dāng)于幾公里外一枚硬幣的寬度。在幾個(gè)月內(nèi)進(jìn)行的這樣一個(gè)一分鐘的運(yùn)動(dòng)幾乎不可能被觀測(cè)到，下一代的天文學(xué)家對(duì)這樣一個(gè)無(wú)望的任務(wù)沒(méi)有表示出多少熱情。威廉·赫歇爾在 18 世紀(jì)七八十年代收集了大量雙星，表面上是為了用伽利略的方法測(cè)定視差； 但他像自然史學(xué)者那樣，收集了旁人有一天可能要用到的標(biāo)本。大多數(shù)天文學(xué)家傾向于將他們的時(shí)間花在更有希望的調(diào)查方向上。
圖為牛頓的《宇宙體系》
總之，約翰·米歇爾（約 1724—1793）曾在 1767年指出——赫歇爾并不知道——雙星的數(shù)目很大，其中大多數(shù)必定是空間里真正的成對(duì)者（雙子星），它們與觀測(cè)者的距離相同，因而對(duì)測(cè)定視差的伽利略的方法是沒(méi)有用的。當(dāng)赫歇爾在世紀(jì)之交重新檢查他的某些雙星時(shí)，他自己證實(shí)了米歇爾的觀點(diǎn)，而且還找到了兩顆恒星相互運(yùn)轉(zhuǎn)的例子。一代之后，威廉的兒子約翰證實(shí)了它們的軌道是橢圓，并且將這些伙伴星結(jié)合在一起的力是牛頓的引力（他并不是唯一持這一觀點(diǎn)的人）。雖然牛頓曾經(jīng)宣布引力是一種普適的定律，但是這是定律應(yīng)用到太陽(yáng)系之外的第一個(gè)證據(jù)。
同時(shí)，天文學(xué)家發(fā)覺(jué)他們自己處于這樣一種境地：隨著望遠(yuǎn)鏡的改進(jìn)，天球上恒星位置的兩個(gè)坐標(biāo)以日益增加的精度被測(cè)量出來(lái)，而對(duì)恒星的第三個(gè)坐標(biāo)——距離——?jiǎng)t除了其巨大的尺度以外，知之甚少。當(dāng)已知自行的數(shù)目增加，人們發(fā)現(xiàn)了并非所有快速運(yùn)動(dòng)的恒星都是亮星時(shí)，就連最近的星最亮這個(gè)假設(shè)也成了問(wèn)題。
一個(gè)極端的例子在19世紀(jì)早期就被找到了。先是皮亞齊然后是貝塞爾發(fā)現(xiàn)，相對(duì)較暗的恒星天鵝座61以每年超過(guò)5弧秒的罕見(jiàn)速度穿越天空。這是否一定表明這顆恒星盡管其亮度不高但必定距離我們很近？
周年視差當(dāng)然是與距離成反比的。試圖測(cè)量視差的觀測(cè)者應(yīng)將他們的努力集中在最靠近地球的恒星上，這是很重要的。1837年，在數(shù)次宣布測(cè)量成功，而后又被證明站不住腳之后，德國(guó)出生的威廉·斯特魯維（1793—1864）提出了近距離恒星的三個(gè)判據(jù)：這顆恒星是否很亮？其自行是否很大？如果是一對(duì)雙子星的話，考慮到兩顆子星相互運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間，這兩顆子星是否看上去彼此分得很開(kāi)？
在多爾帕特（今為愛(ài)沙尼亞的塔圖）的天文臺(tái)里，斯特魯維被特許擁有一架由約瑟夫·夫瑯和費(fèi)（1787—1826）贈(zèng)送的大型折射望遠(yuǎn)鏡，它的物鏡玻璃直徑不小于 24 厘米且質(zhì)量非常好，并且它的安裝方式和赤道相似，它的軸指向北天極，所以觀測(cè)者只需轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)軸，就可以使望遠(yuǎn)鏡和恒星排成一行。為測(cè)量視差，斯特魯維選定了織女星，它很亮，具有大的自行。1837年他宣布了 17 次觀測(cè)的結(jié)果，由此推論出視差為 1/8 弧秒。三年之后，他報(bào)告了 100 次觀測(cè)，這次推斷出視差為 1/4 弧秒。但是，自胡克起，虛假宣布就一直不少，所以天文學(xué)家仍免不了心存疑慮。
其時(shí)，柯尼斯堡的貝塞爾同樣幸運(yùn)地獲得了很好的儀器。他的夫瑯和費(fèi)折射鏡并不是大型的，物鏡直徑只有 16 厘米。但是它的制作者不滿足于得到一個(gè)高質(zhì)量的透鏡，他勇敢地將它分割成兩塊半圓形的玻璃片，它們能夠沿著公共直徑相互運(yùn)動(dòng)。每個(gè)半圓都有一個(gè)完整的像，而像的亮度則只有原來(lái)的一半。如果望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)向一對(duì)雙星，它們會(huì)出現(xiàn)在每個(gè)半圓上，觀測(cè)者能夠?qū)⒁粋€(gè)半圓相對(duì)于另一個(gè)半圓滑動(dòng)，直至一個(gè)像上的一顆恒星與另一個(gè)像上的另一顆恒星恰好相合。需要的位移非常精確地指示了分割兩星的角度。因?yàn)檫@樣的儀器常用于監(jiān)視太陽(yáng)視直徑的變化，所以它們被稱為量日儀。
貝塞爾選擇了被稱為“飛星”的天鵝座 61 作仔細(xì)觀測(cè)，因?yàn)槠渥孕泻艽蟆?837年，他讓這顆恒星受到前所未有的觀測(cè)，每個(gè)晚上觀測(cè) 16 次，在“能見(jiàn)度”特好的情形下，觀測(cè)次數(shù)還要更多，就這樣觀測(cè)了一年多。次年他就能夠宣布這顆恒星的視差約為 1/3 弧秒。具有說(shuō)服力的是，由他的觀測(cè)繪制的圖與預(yù)料中的理論曲線相吻合。約翰·赫歇爾告訴皇家天文學(xué)會(huì)，這是“實(shí)用天文學(xué)曾目睹的最偉大、最輝煌的勝利”。恒星的宇宙現(xiàn)在有了第三維，成功測(cè)量的周年視差的數(shù)目在未來(lái)的幾十年中會(huì)成倍地增長(zhǎng)。
但是這宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)是什么？牛頓的《原理》幾乎沒(méi)有談及恒星。1692年在收到年輕的神學(xué)家理查德·本特利（1662—1742）的一封信之前，牛頓對(duì)宇宙學(xué)問(wèn)題也沒(méi)有什么想法。本特利曾就科學(xué)和宗教作過(guò)一系列的講座和布道，在將這些付印以前，他想知道那本人人尊敬但卻無(wú)人能讀懂的濃縮的數(shù)學(xué)書(shū)作者的觀點(diǎn)。本特利沒(méi)有時(shí)間來(lái)研究笛卡爾的立場(chǎng)，笛卡爾認(rèn)為上帝創(chuàng)造了宇宙，并放手讓其自行運(yùn)動(dòng)；但是他想知道，這一觀點(diǎn)的論據(jù)是什么，于是他問(wèn)牛頓，在一個(gè)初始時(shí)物質(zhì)呈現(xiàn)理想對(duì)稱的宇宙中會(huì)發(fā)生什么。牛頓沒(méi)有意識(shí)到本特利指的對(duì)稱是完全理想的，他回答說(shuō)，在任何地方物質(zhì)若比尋常更加稠密，其引力將會(huì)吸引周圍的物質(zhì)并導(dǎo)致更大的密度。本特利說(shuō)牛頓說(shuō)得不對(duì)，這使牛頓大為惱火，繼而他承認(rèn)在一個(gè)理想對(duì)稱的宇宙里，物質(zhì)沒(méi)有理由以一種方式而不是另一種方式運(yùn)動(dòng)；但是他評(píng)論說(shuō)，理想對(duì)稱是有問(wèn)題的，正如無(wú)窮多的縫衣針全都針頭朝下立在一個(gè)無(wú)限大的鏡面上?！斑@不是一樣難嗎？ ”本特利反駁道，“在無(wú)限空間中無(wú)限多這樣的物質(zhì)也要維持平衡呢?！?換句話說(shuō)，當(dāng)每顆恒星都被所有其余恒星的引力拉著時(shí)，恒星是“固定”不動(dòng)的，這不是一樣嗎？
《原理》聲稱引力是自然的普適定律，現(xiàn)在牛頓正面臨著矛盾；因?yàn)榧词菇?jīng)過(guò)多個(gè)世紀(jì)的觀測(cè)，恒星似乎仍像以前一樣固定。稀奇的是，牛頓是唯一一個(gè)（正如我們已經(jīng)看到的）對(duì)星際距離的尺度有正確估計(jì)的人；但是他沒(méi)有想到，恒星是那么遙遠(yuǎn)，它們的任何運(yùn)動(dòng)幾乎都是不可察覺(jué)的。他繼續(xù)相信恒星是不動(dòng)的，他的問(wèn)題是要解釋何以會(huì)如此。
他對(duì)矛盾的解答可以在打算作為《原理》第二版的草稿中找到，此稿在他離開(kāi)劍橋?yàn)橹\求倫敦的一個(gè)職位時(shí)被丟棄了。我們記得他將繞日運(yùn)行的有限的行星系統(tǒng)視為上帝為人類提供一個(gè)穩(wěn)定環(huán)境的規(guī)劃，雖然這種穩(wěn)定是不理想的，因而上帝最后會(huì)介入，以防止引力削弱系統(tǒng)。恒星系統(tǒng)同樣是穩(wěn)定的；但是他爭(zhēng)辯說(shuō)，這是因?yàn)楹阈窃跀?shù)目上是無(wú)窮的，它們的分布是（差不多是）對(duì)稱的：每顆恒星最初是靜止的，因?yàn)樗诿總€(gè)方向被其他恒星同等地拉著，所以它會(huì)繼續(xù)保持如此狀態(tài)。
但是只要一瞥夜天空就會(huì)看出這種對(duì)稱其實(shí)是不理想的；的確，即便為了對(duì)較近恒星間表面的對(duì)稱提供證據(jù)，牛頓也需要獨(dú)具慧眼。但是他并不將不理想對(duì)稱看作是一個(gè)問(wèn)題：這是上帝的又一次有規(guī)律的干預(yù)，干預(yù)的結(jié)果是，恒星會(huì)恢復(fù)它們?cè)缦鹊闹刃颉?/span>
圖為天鵝座61 （英語(yǔ)：61 Cygni）有時(shí)也被稱為貝塞爾星（Bessel''s Star）或皮亞齊飛行之星（Piazzi''s Flying Star）
牛頓曾著力研究宇宙的動(dòng)力學(xué)，但是使這些一樣的恒星向我們發(fā)光的動(dòng)力是什么呢？ 1720年左右，這個(gè)問(wèn)題由他的熟人，一個(gè)年輕的內(nèi)科醫(yī)生威廉·斯圖克利（1687—1765）向他提出。伽利略望遠(yuǎn)鏡在一個(gè)世紀(jì)前就證實(shí)銀河由數(shù)不清的微小恒星并合的光所形成；但是奇怪的是，對(duì)于引起這一現(xiàn)象的恒星的三維分布人們幾乎沒(méi)有繼續(xù)研究的興趣。牛頓沒(méi)有想到銀河的狀況反駁了他的觀點(diǎn)，恒星宇宙其實(shí)并不是對(duì)稱的。
可是，斯圖克利猜測(cè)，可見(jiàn)的恒星會(huì)一起形成一個(gè)球狀的集合體，而銀河中的恒星會(huì)在這個(gè)球體周圍形成一個(gè)扁平的環(huán)——實(shí)際上，是像土星和土星環(huán)那樣的恒星類似物。作為回應(yīng)，牛頓暗示，他更傾向于一個(gè)無(wú)限的對(duì)稱分布的恒星宇宙；對(duì)此斯圖克利——不知道牛頓暗中相信的正是這個(gè)概念——反駁說(shuō)，在這樣的一個(gè)宇宙中，“[天空的]整個(gè)半球就會(huì)具有像銀河系那樣的發(fā)亮的外觀”。
1721年早期，斯圖克利和哈雷與牛頓共進(jìn)早餐，并且討論了天文學(xué)問(wèn)題。其中必定包含了一個(gè)無(wú)限的恒星宇宙的可能性，因?yàn)閹滋煲院?，哈雷向皇家學(xué)會(huì)宣讀了有關(guān)這一主題的兩篇論文中的第一篇。當(dāng)他的論文在《哲學(xué)會(huì)報(bào)》上發(fā)表時(shí)，牛頓的宇宙模型最后——以不具名的形式——進(jìn)入了公眾視野。
在一篇論文里，哈雷仔細(xì)地評(píng)述道：“我所聽(tīng)到的另一個(gè)觀點(diǎn)主張，如果固定的恒星數(shù)目比有限還要多，那么它們外顯的球的整個(gè)外表會(huì)是發(fā)亮的。”他對(duì)斯圖克利的疑慮有他自己的解決辦法，但是它是有缺陷的。直到 1744年，關(guān)于無(wú)限和幾近對(duì)稱的宇宙中光的正確分析才得以發(fā)表。瑞士天文學(xué)家德·謝塞奧（1718—1751）指出，在最近恒星的距離處，對(duì)于一定數(shù)目的恒星，有（可以這么說(shuō)）空間使得任何兩顆恒星不至于過(guò)分靠近；這些恒星一起填滿了天球的一定（小的）面積。在兩倍距離處，可容納的恒星數(shù)目可多達(dá)之前的四倍，但是每顆恒星的亮度變成了原先的 1/4，視大小也變成了原先的 1/4。所以，總體來(lái)說(shuō)，它們會(huì)像以前那樣將天空同樣的面積填滿，而且具有同樣的亮度水平。在三倍距離處，恒星將用光填滿天空更大的面積；依次類推，直到最后整個(gè)天空群星閃耀。
人們或許會(huì)如此想（現(xiàn)代天文學(xué)家確實(shí)將夜空的黑暗視為提出了“奧伯斯佯謬”）。但是謝塞奧指出——如同奧伯斯在1823年所做的那樣——這一推理假定所有從一顆特定恒星發(fā)出的光都到達(dá)了其目的地；即使是微小的光損失，如果在沿途的每一步都發(fā)生，很遠(yuǎn)恒星的光就會(huì)顯著地減弱直至看不見(jiàn)為止。所以無(wú)論對(duì)于謝塞奧還是奧伯斯來(lái)說(shuō)，都不存在任何佯謬。
對(duì) 19 世紀(jì)后期的天文學(xué)家來(lái)說(shuō)也不存在佯謬，即使現(xiàn)在人們已意識(shí)到，一種攔截星光的星際介質(zhì)會(huì)自我加熱并開(kāi)始輻射。有很多其他方法可以擺脫困難，諸如無(wú)以太真空的存在，在其中光不能通過(guò)。只有在我們的時(shí)代，夜空的黑暗才會(huì)是一個(gè)佯謬。那些給它命名的人并不知道，這一問(wèn)題回溯起來(lái)，要越過(guò)奧伯斯，到謝塞奧、哈雷，并最終到內(nèi)科醫(yī)生斯圖克利。
同時(shí)，業(yè)余觀測(cè)者開(kāi)始苦思銀河系。1734年，達(dá)勒姆的托馬斯·賴特（1711—1786）作了一個(gè)公開(kāi)講座（或稱布道），提出了他個(gè)人的宇宙論。他告訴他的聽(tīng)眾，太陽(yáng)和其他恒星圍繞著宇宙的神圣中心運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)它們這么運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，它們占據(jù)著空間中的一層球殼，其外則是黑暗的外層空間；為了集中聽(tīng)眾的注意，他向他們指出，他們中每一個(gè)人在死后注定要向內(nèi)或向外通過(guò)這個(gè)區(qū)域。為了說(shuō)服聽(tīng)眾，他準(zhǔn)備了直觀的圖片，展示了宇宙的一個(gè)截面，其中他用藝術(shù)手法描繪了地球上實(shí)際顯示的太陽(yáng)系和可見(jiàn)恒星；他說(shuō)，更遙遠(yuǎn)恒星的光并在一起形成了“一個(gè)光的暗圓”——銀河。
稍后，他意識(shí)到了他的錯(cuò)誤：這樣一個(gè)銀河會(huì)位于通過(guò)神圣中心和太陽(yáng)系的每個(gè)宇宙截面上，而實(shí)際的銀河則是獨(dú)一無(wú)二的。為解決這個(gè)問(wèn)題，在 1750年出版的精美插圖本《一個(gè)新穎的宇宙理論》中，他大大削減了太陽(yáng)和我們系統(tǒng)（現(xiàn)在他設(shè)想有許多這樣的系統(tǒng)，每個(gè)系統(tǒng)有它自己的神圣中心）的其他恒星所占據(jù)的空間球殼的厚度。因此，在我們凝視空的空間以前，我們向內(nèi)或向外看時(shí)，看到的只是少量近鄰的（因而明亮的）恒星。但是當(dāng)我們沿著殼層切向看時(shí)，殼層的半徑巨大，其彎曲程度難以察覺(jué)，我們看到了大量的恒星，它們的光并在一起，創(chuàng)造出一種乳狀的效應(yīng)：那就是銀河的平面在我們的位置上與殼層相切。
圖為賴特所用的草圖，用來(lái)幫助讀者理解他所推薦的恒星系的模型。在這個(gè)想象的宇宙中，有一個(gè)被兩個(gè)平行平面所限定的恒星層。在A 的觀測(cè)者，當(dāng)他從層內(nèi)向外看時(shí)，在B或C的方向只會(huì)看到少數(shù)近鄰的（因而明亮的）恒星；但是當(dāng)他沿著層面向D或E的方向看時(shí)，會(huì)看到或近或遠(yuǎn)數(shù)不清的恒星，它們的光并在一起，形成一條銀河的效果。
摘自托馬斯·賴特的《一個(gè)新穎的宇宙理論》（1750）
圖為賴特推薦的太陽(yáng)系所屬的恒星系模型。恒星占用的空間呈球殼形狀，其半徑很大，其曲率對(duì)一個(gè)位于 A 點(diǎn)的觀測(cè)者來(lái)說(shuō)難以察覺(jué)。所以對(duì)觀測(cè)者來(lái)說(shuō)，可見(jiàn)恒星層的內(nèi)、外表面近似于平行的平面。同以前一樣，向 B 或 C 的方向看時(shí)，觀測(cè)者看到的只是少量近鄰的因而明亮的恒星，而當(dāng)沿層面向著諸如 D 和 E 的方向看時(shí)，看到的是不可勝計(jì)的恒星，它們的光并在一起形成一個(gè)銀河的效果。
次年，賴特的書(shū)的提要（不包括為理解他的古怪概念所需的插圖）出現(xiàn)在了一本漢堡出的期刊上，引起了德國(guó)哲學(xué)家伊曼努爾·康德（1724—1804）的注意?？档虏皇菦](méi)有理由地假定，必定只有一個(gè)神圣中心，它位于宇宙某個(gè)遙遠(yuǎn)的地方，而且我們的恒星系完全處于自然的秩序之中。他知道我們業(yè)已在天空中觀測(cè)到乳狀斑點(diǎn)（星云）的情況，他相信它們是其他的恒星系；但是這些系統(tǒng)是橢圓形的，而一個(gè)球狀系統(tǒng)不管從哪個(gè)角度看來(lái)將永遠(yuǎn)是圓形。所以康德選擇了賴特提出的另一個(gè)模型，其中圍繞我們神圣中心的恒星形成了一個(gè)扁平的環(huán)?？档抡J(rèn)為，這個(gè)環(huán)（整體上處于自然秩序之中）不應(yīng)當(dāng)不間斷地從一邊延伸到另一邊，從而形成一個(gè)完整的星盤；一個(gè)星盤從側(cè)向看來(lái)將呈橢圓形，正如業(yè)已觀測(cè)到的星云一樣。所以康德誤以為賴特視銀河為一個(gè)盤狀的恒星聚合體，雖然它確實(shí)如此。
由熱情研究的業(yè)余愛(ài)好者構(gòu)想出的這些情形及類似的推測(cè)幾乎不可能對(duì)專業(yè)的天文學(xué)家形成沖擊。另一方面，他們卻幾乎不能忽視另一位業(yè)余愛(ài)好者在 1781年發(fā)現(xiàn)的行星天王星。這位業(yè)余愛(ài)好者就是我們所熟知的威廉·赫歇爾，7年的戰(zhàn)爭(zhēng)流亡之后，這位音樂(lè)家從漢諾威來(lái)到英國(guó)。但是他的報(bào)告不夠?qū)I(yè)，而且他隨口聲稱他是用目鏡（據(jù)說(shuō)其放大率甚至超過(guò)專業(yè)光學(xué)儀器）作出了這個(gè)發(fā)現(xiàn)，因此他成為了一個(gè)有爭(zhēng)議的人物。
1772年，赫歇爾將他的妹妹卡羅琳從漢諾威的家庭勞作中拯救了出來(lái)，成為他做的每一件事的忠實(shí)助手。他對(duì)天文學(xué)的熱心不久就左右了他們的生活。赫歇爾的雄心是了解“天的構(gòu)造”。赫歇爾認(rèn)識(shí)到為了觀看那些遙遠(yuǎn)而暗弱的天體，他必須裝備能夠收集盡可能多的光的反射望遠(yuǎn)鏡——換句話說(shuō)，盡可能大的反射鏡。他從當(dāng)?shù)罔T造廠購(gòu)買了圓盤，學(xué)習(xí)研磨和拋光，但他的抱負(fù)很快超出了其能力：一個(gè) 3 英尺的玻璃圓盤就使他放棄了。1781年，他大膽地將家里的地下室變成一個(gè)鑄造車間，但是他嘗試了兩次都失敗了，還幾乎遭受了滅頂之災(zāi)。
天王星的發(fā)現(xiàn)使赫歇爾的贊賞者有機(jī)會(huì)代表他去游說(shuō)國(guó)王，1782年赫歇爾被授予了皇家津貼，使得他能夠致力于天文學(xué)研究。他搬到了溫莎城堡附近，在那里，他除了滿足皇室家庭和他們的客人的觀天要求之外，別無(wú)其他責(zé)任。他很快建造了史上最大的望遠(yuǎn)鏡之一，一架焦距長(zhǎng)達(dá)20英尺，口徑為18英寸且有一個(gè)穩(wěn)定平臺(tái)（這也同樣重要）的反射望遠(yuǎn)鏡。
有卡羅琳坐在寫字桌邊聽(tīng)覺(jué)范圍以內(nèi)充當(dāng)抄寫員，赫歇爾在此后 20年中用了很多觀測(cè)時(shí)間，致力于在夜空中“掃視”星云和星團(tuán)。朝向南方的望遠(yuǎn)鏡被安置在一定的高度，當(dāng)天空在頭頂緩慢地轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可以上下微微調(diào)整其位置使其可以掃過(guò)可能含有星云的天空中的某一條帶。在他們開(kāi)始時(shí)，只有約100個(gè)這樣的神秘天體是已知的；到結(jié)束時(shí)，他們已經(jīng)收集了2500個(gè)樣品并進(jìn)行了分類。
每個(gè)人都認(rèn)識(shí)到，不能辨別出單顆恒星的遙遠(yuǎn)星團(tuán)會(huì)呈現(xiàn)出星云狀，如同銀河那樣。但是全體星云都是遙遠(yuǎn)的星團(tuán)嗎？其中有些會(huì)不會(huì)是由近鄰的發(fā)光流體云（赫歇爾稱之為“真正的星云狀物質(zhì)”）所形成的？ 如果可以看到一個(gè)星云改變形狀，這將證明它是一團(tuán)近鄰的云，因?yàn)橐粋€(gè)遙遠(yuǎn)的星團(tuán)太大了，不可能如此迅速地發(fā)生改變；1774年，在其觀測(cè)日志的第一頁(yè)上，赫歇爾記下了獵戶座大星云并不像它早先被描繪（17 世紀(jì)由惠更斯所描繪）的那樣。此后幾年對(duì)同一星云的偶爾觀測(cè)讓他確信，星云會(huì)繼續(xù)變化，因而它是由真正的星云狀物質(zhì)構(gòu)成的。但是怎樣區(qū)分真正的星云狀物質(zhì)和遙遠(yuǎn)的星團(tuán)呢？看來(lái)赫歇爾正遇到了兩類星云狀物質(zhì)：乳狀的和有斑點(diǎn)的。他揣測(cè)有斑點(diǎn)的星云狀物質(zhì)反映了數(shù)不清的恒星的存在。
圖為威廉·赫歇爾“巨大的”20 英尺反射望遠(yuǎn)鏡（受托于 1783年），本圖摘自 1794年發(fā)表的一張版畫(huà)。他用這架儀器“掃視”天空，發(fā)現(xiàn)了2500 個(gè)星云和星團(tuán)。到了 1820年，木建部分已大半朽爛，威廉的兒子約翰被迫建造了一個(gè)替代物，他將其攜至好望角，將他父親的工作拓展至了南天。
但 1785年他碰見(jiàn)的一個(gè)星云包含了單顆的恒星以及兩種星云狀物質(zhì)； 他將它解釋為從觀測(cè)者延伸開(kāi)去的一個(gè)恒星系統(tǒng)。最近的恒星是單獨(dú)可見(jiàn)的，更遠(yuǎn)的恒星看起來(lái)像有斑點(diǎn)的星云狀物質(zhì)，而最遠(yuǎn)的像乳狀星云物質(zhì)。因此，赫歇爾改變了他早先的立場(chǎng)，判定所有的星云都是星團(tuán)。
但是星團(tuán)意味著群集：一種吸引力或幾種力——可能為牛頓引力——起著作用，將成員星愈發(fā)緊密地拉在一起。這意味著，一個(gè)星團(tuán)里的恒星過(guò)去比現(xiàn)在更為松散；將來(lái)，它們會(huì)更緊密地抱成團(tuán)。
這樣一來(lái)，赫歇爾將生物學(xué)的概念引入了天文學(xué)：他像自然史學(xué)家一樣收集了大量的樣品并進(jìn)行分類，他能夠按年齡——如年輕的、中年的和老年的——進(jìn)行排列。他正改變著科學(xué)的本質(zhì)。
1790年的一個(gè)晚上，他正像往常一樣掃視著天空時(shí)，偶然遇見(jiàn)一顆恒星被一個(gè)星云狀物質(zhì)的暈所環(huán)繞。他認(rèn)定這顆恒星定然由星云狀物質(zhì)凝聚而成，故而真正的星云狀物質(zhì)是存在的。他必須將自己恒星系統(tǒng)的發(fā)展理論作一回溯，使其包含一個(gè)較早的位相，在這個(gè)位相中，稀薄的散射光在引力作用之下凝聚成星云狀的云，恒星就從中誕生。這些恒星形成了星團(tuán)，最初是散布的，然后日益凝聚——直至最終星團(tuán)自身坍塌，產(chǎn)生巨大的天體爆炸，爆炸產(chǎn)生的光開(kāi)始了又一次的循環(huán)。赫歇爾的同時(shí)代人中，幾乎無(wú)人有能觀測(cè)到證據(jù)的儀器，所以不知道該如何應(yīng)對(duì)。
威廉·赫歇爾的兒子約翰（1792—1871）將恒星天文學(xué)帶入了科學(xué)的主流。當(dāng)他還年輕時(shí)，他父親說(shuō)服他放棄在劍橋的事業(yè)回家，做父親的學(xué)徒和天文學(xué)的繼承人，負(fù)責(zé)重新檢驗(yàn)和擴(kuò)大他父親的天文樣品收集。威廉的 20 英尺反射望遠(yuǎn)鏡現(xiàn)在已因年代久遠(yuǎn)而朽爛，但他在 1822年去世之前，監(jiān)督約翰建造了一個(gè)替代物。
圖為赫歇爾畫(huà)的略圖，表示他的星云和星團(tuán)表中的天體按照成熟程度遞增的序列排列：隨著時(shí)間流逝，引力起的作用使星團(tuán)越來(lái)越集中。
摘自《哲學(xué)會(huì)刊》104 卷（1814）。
1825年，約翰開(kāi)始修訂他父親的在英格蘭可見(jiàn)的星云的星表。完成之后——并且還堅(jiān)定地謝絕了所有政府提供的資助——他坐船到了好望角，在那兒他花費(fèi)了 4年的時(shí)間，將他父親的星云、雙星等等的星表擴(kuò)展到南天范圍。他變成了（并且依然是）用一個(gè)大望遠(yuǎn)鏡研究了整個(gè)天球的唯一觀測(cè)者。
1838年3月約翰·赫歇爾坐船返家時(shí)，作為觀測(cè)者的生涯就此告終，赫歇爾家對(duì)大望遠(yuǎn)鏡的壟斷也是如此。那年，在愛(ài)爾蘭中央地區(qū)的伯爾城堡，未來(lái)的羅斯伯爵威廉· 帕森斯（1800—1867）加工和裝配了部件，做成了直徑 3 英尺的合成鏡面。次年，他成功澆注了同樣大小的單鏡面，并于 1845年完成了“帕森斯城的巨獸”。這是一架吊起在巨大石墻之間的反射望遠(yuǎn)鏡，鏡子口徑不小于 6 英尺，每塊重達(dá) 4 噸。幾周之內(nèi)，這架反射望遠(yuǎn)鏡就揭示出，有的星云在結(jié)構(gòu)上是螺旋形的。
“巨獸”被設(shè)計(jì)成一勞永逸地解決以下這個(gè)問(wèn)題：是不是全部星云都是被距離偽裝起來(lái)的星團(tuán)？觀測(cè)肉眼可見(jiàn)的獵戶座大星云是關(guān)鍵，在這一點(diǎn)上，人們達(dá)成了共識(shí)。正好反射鏡足以觀測(cè)確實(shí)嵌入這個(gè)（氣態(tài)的）星云中的恒星。在看到這些時(shí)，羅斯說(shuō)服他自己，他正在觀看一個(gè)星團(tuán)并且他已勝利地將它分解成了多顆成員星。
許多人同意，這個(gè)關(guān)于最大星云的發(fā)現(xiàn)能夠推廣，并且天文學(xué)不再需要“真正的星云狀物質(zhì)”了。他們很快被證明是錯(cuò)了，但等到那時(shí)，天文學(xué)已喪失了其自主性并為從事星光分析而與物理學(xué)和化學(xué)相結(jié)合。
圖為羅斯伯爵 6 英尺鏡面的反射望遠(yuǎn)鏡，受托于 1845年。該年4月，羅斯用它發(fā)現(xiàn)了某些星云的漩渦結(jié)構(gòu)。
