天文发现十八法（上）

（选自《天文爱好者》1995年第四期。作者李启斌）

天体，都是那么的遥远。既然是远，就给要了解它的人们出了个难题。不能把它拿来分析化验，怎么能了解它的成份呢？不能用温度计去量一量，怎么知道它有多热呢？不能拿天平去称重，怎么知道它有多重呢？永远也走不到它那里去，怎么能知道它离我们有多远呢？总之，天体是“看得到，摸不到”的东西。就算是“看”也是非常有限的，人生不过百年，人类诞生到现在也不过百万年，怎么能看见天体亿万年的演变呢？更何况还有许许多多连看也看不见甚至根本不可能看见的天体。然而，这些难题没有难倒探索天体奥秘的天文学家们，他们测定了天体的距离、质量、温度、化学成份，揭示了天体亿万年演变的历史。人们都说，天文学家一定有许多不为人知的妙法。的确，天文学在方法论上是很有特色的，可以说，天文学是一门智慧的科学。本文把天文学家探索宇宙奥秘的诀窍概括成十八法，用历史上著名的天文发现加以说明，以飨读者。

天文学重视发现，天文发现是广义的。发现一个天体的存在，是最基本的发现；发现天体的各种各样的特性，是较深层次的发现；发现天体各种运动变化的规律性，是最高级的发现。

在这篇文章的上半部分，首先介绍的是关于天体存在的发现，即发现新的天体，然后是发现天体的变化。

（1）坚守巡天

有系统地、有计划地监视巡察各个天区，一旦有新的天体出现，或某个天体出现变化，就会有所发现。我国古代发现大量的新星、超新星、彗星等，都是钦天监夜夜坚持巡天的结果。现代天文学家仍然非常重视系统性的监测，小行星、彗星、河外星系中的超新星都有系统监测计划，每年都有许多新发现。这样做就要费很多时间，表面看来似乎是“笨办法”，其实是大智若愚。重要的是系统性。因为有系统性的计划，不仅不会漏掉重要的天文现象，而且可以从中作出进一步的推断，例如从系统性的超新星巡天观测可以推算出超新星的产率，从而得出关于恒星演化的重要结论。

（2）知常求异

将天体的位置、亮度、光谱同过去的状态相比，发现它的变化。发现重在“异常”，新的天体出现是异常，变暗变亮是异常，偏离正常位置是异常。但要知新、知异，就得首先知道“正常”。天文学家正是这样做的，他们把天体的位置、亮度测量出来，编成星表，或者拍摄成底片，然后拿新老底片来对比，看看哪里多了，哪里变了，于是就有了天文发现。冥王星的发现就是将底片对比，从位置的变动找出这个行星的。著名的帕洛玛天图是用美国帕洛玛山天文台的施密特望远镜拍摄的北天照片制成的，天文学家要想知道是不是发现了新的天体或者天体的变化，就把自己的观测结果同帕洛玛天图作比较，因此，帕洛玛天图成为现代天文学的宝库。在射电、红外波段巡天观测的结果（3C射电源表、IRAS红外源表），都是天文学家作为天体“常态”经常用以比较的依据。通过同这些星图、星表相比较，发现了成百上千的新天体。

（3）辨细察微

进行更细致的观测，发现天体更微小的变化。如果永远用同一设备观察天空，发现固然常有所得，但不会有更高层次的、更高水平的发现。天文学家为了追求更新的发现，不断改进仪器功能，追求更高的灵敏度和分辨率。高灵敏度以求观测更暗的天体，高分辨率以求将混在一起的天体分开，或察觉天体的微小运动。只凭肉眼只看到几千颗星，而现在已发现并记录在案的天体有好几十万个，都是望远镜灵敏度不断提高的结果。诸如喷流和视超光速射电源的发现，都是分辨率提高所致。甚长基线射电干涉仪把观测天体的分辨率提高到千分之一角秒，从而发现了极为遥远的活动星系核的不同部分有相对运动，彼此分离的速度算起来竟然比光速还快。这一发现在天文界和物理界都引起了很大的轰动。现在的解释是喷流的方向非常接近视线引起的视效应。

（4）证认同一

采用不同观测波段发现的天体，需经过仔细的证认，确定哪些是同出一源，导致更深的发现。这个方法在现代天体物理研究中非常重要。过去只有一个可见光波段，现在又有了射电波段、红外波段、紫外波段、X射线波段和伽马射线波段。对于不同的波段，星际空间的景象是不同的。可见光看来是一颗亮星，但却可能是一个很弱的射电源；而很强的射电源也可能是一颗暗星。还有许多红外源的位置上，用可见光看不见任何星星。就是说，有的天体只发出电波，有的又只发出红外线或者只发出X射线，也有天体在各个波段都有辐射。所以每开拓一个新的观测波段，总是首先要把在这个波段观测到的“源”的位置去同用可见光观测得到的星表对比，证认出观测到的源是什么星，还是没有光学对应体。除了与可见光星表相证认外，还要和其他波段的“源”表交叉证认。这样就可以知道天体在不同波段的辐射强度，从而查明它的辐射发生的机制。1960年代，发现了大批射电源，多数是星系，但有几个却对应于恒星状的天体，于是就被称为类星射电源。后来进一步做光谱证认，发现它们的光谱红移非常大，才知道这是一类极为特殊也极为重要的天体，这就是类星体。

（5）旁察窥隐

对在可见光波段不可见的天体，通过它对其他天体的影响而察觉其存在。有些天体不发光，或者极为暗弱难以观测，但是它可以通过引力使它附近的天体绕着它运转。因为按照万有引力定律，两个天体在一起应该相互围绕着做椭圆轨道运动。如果我们观测到一个天体在做椭圆轨道运动，又没有观测到附近有另一个发光天体，就可以推测还存在着一个不发光或很暗弱的天体在它的附近。并且可以从发光天体的轨道运动的参数测出不可见的天体的质量。寻找黑洞候选体用的就是这个方法。黑洞不能发光，应该说用什么方法也是看不见的。但是如果黑洞附近还有一个伴星，就可以从伴星的运动得知黑洞的存在。现在的做法是，寻找那些孤零零地做椭圆轨道运动的单星，算出它的伴星的质量，如果达到3.2个太阳质量以上，就达到黑洞的质量范围，这么大的天体居然不发光，就有黑洞的嫌疑了。如果它能发射迅速变化的X射线，那就几乎可以认为是候选者了。因为黑洞吸引周围的物质掉落会发出X射线。

（6）推理待验

根据物理定律推定某种天体的存在，寻求观测事实验证。中子星的发现就是先由理论推断其存在，后为观测所证实的极好的例子。早在1930年代，物理学家刚知道了中子的性质，天文学家和物理学家都预言了可能会有由中子组成的天体存在，后来从引力理论和恒星演化理论研究中又推断出，在大质量恒星的核能源耗尽，无法继续进行核聚变后，没有压力和引力相抗衡，这时发生的引力坍缩现象可能会将恒星压缩成中子星。直到1967年，在休伊什发现脉冲星的时候才意识到，脉冲星就是理论所预言的中子星。

（7）矛盾寻源

通过难以解释的矛盾现象去寻求引起矛盾现象的天体。这是十分普遍的方法。海王星的发现就是使用了这一方法的结果。发现天王星以后，人们注意到它的轨道总是同根据万有引力定律计算出的结果不符合。亚当斯和勒威耶注意到了这个矛盾，并且推断天王星之所以偏离计算轨道是因为有一个未知的行星干扰了它的运行，并且计算出了这个假设的行星的位置，果然在这个位置上发现了它，后来命名为海王星。

新近的一个实例是暗物质的推断。天文学家用引力理论推算出星系的质量要比从光学观测到星系光度算出的质量多，于是推断出星系还有一部分物质很暗，对于观测者来说是隐藏起来了，后来发现星系有很庞大而暗弱的星系晕，这也是探寻引起矛盾的来源而发现新的天体现象的结果。目前，寻找暗物质的热潮还在继续，可能还会发现更重要的暗物质。

以上几种方法都是发现天体的存在和变化经常采用的。下面举出的两种方法则是发现天体的性质的方法，这是比较广义的，也是更为深入的发现。

（8）据律量测

根据物理或天文定律从观测量去推求不能直接测出的物理量。除了太阳系内行星以外，我们不能把温度计和磁强计放到天体上去，也不能把天体物质取出来化验，所以天体的温度、化学成份、内部运动速度、磁场都不能直接测量，但却可以利用各种定律来测量。例如，物体的光谱中各个波长的强度分布与温度有关，这是维恩定律。又如磁场，塞曼效应表明，在磁场中，光谱线会一分为二，磁场强度越强，谱线分裂的程度越大，这样就从谱线分裂的程度测出天体的磁场来。测定天体运动速度也是类似的方法，根据多普勒定律，远离我们运动的物体发出的光的波长会变长，趋近我们运动则波长会变短。测量天体光谱波长的变化就可以测得天体运动的速度。

（9）接力致远

把测量不同范围的天体的不同方法衔接起来，完成由近到远的测量。最典型的例子是天体距离的测量。测量恒星的距离，用的是三角视差的方法，就是在地球轨道上两个不同的位置测定恒星的方位，然后解三角形求恒星距离。对于遥远的星系，视差太小，这个方法就不灵了。后来知道了造父变星光度变化的周期与它们的绝对光度有明显的关系，因此，观测河外星系中的造父变星的光变周期，就可以知道它们的绝对光度，再同观测到的亮度相比较，就可以算出它的距离。这样就把天体距离的测量推远到星系。这两种方法就通过银河系和河外星系中的造父变星来连接的。知道了河外星系的距离以后，又发现了星系的距离与光谱线红移的关系，利用这种关系不仅得知了更多更远的星系的距离，又以这个关系为桥梁，通过测量红移，又测出比星系更遥远的类星体的距离，使天体测距的范围达到了20亿光年至100多亿光年的宇宙深处。

天文学最深入的发现，是发现天体运动和演化的规律性。关于这方面的方法，将在本文的下半部分再行介绍。（未完待续）

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