今天的人類已經知道了銀河系是一個巨大的旋渦星系，從正面看，它是這樣的：

圖13-1　銀河系正面模擬圖　　圖片來源：NASA官網

當然，任何銀河系的正面圖像都是畫出來而不是實拍的，因為我們就身處這個巨大的漩渦中，不可能拍到銀河系的正面全身照，能拍攝到的只是銀河系的側面照。

圖13-2　光學成像的銀河側身像　　李夢堯攝

圖13-3　X射線和紅外成像的銀河　　圖片來源：NASA官網

但是，人類得到這樣一副銀河系的正確圖像并不是一帆風順的，中間走過彎路，也引起過大爭論。

1906年，全世界各地天文學家都收到了一封來自荷蘭天文學家卡普坦（Kapteyn，1851年～1922年）的倡議信，這封信的大致內容是建議全世界天文學家聯(lián)合起來，用赫歇爾的分天區(qū)的辦法再“數”一次星星，詳細記錄他從天空中隨機選出的206個天區(qū)中所有恒星的亮度、視差、位置、視向速度等參數。卡普坦的目的是要把赫歇爾的工作推向一個更深入的范圍，定量地勾勒出銀河系的結構和形狀?？ㄆ仗沟某h得到了相當多的天文學家的響應，盡管經歷了第一次世界大戰(zhàn)的硝煙，但依然有大量觀測數據源源不斷地流向卡普坦。終于，到了1922年，卡普坦向天文學界宣布：他用統(tǒng)計分析的方法畫出了銀河系的形狀。它是一個直徑55,000萬光年，厚11,000光年的透鏡形狀，太陽位于中心附近，距太陽越遠，恒星數目越少，但由于未考慮到星際消光的影響，他得到的銀河系大小僅為現(xiàn)在所知的一半左右，不過比英國著名天文學家威廉·赫歇爾給出的結果還是要大了9倍。

這就是歷史上赫赫有名的“卡普坦宇宙”。不過，從卡普坦的研究方法上，我們還是能看出一些缺陷，他用的是世界各地的天文學家的數據，這些數據的準確性到底有多高？精度是否一致？這些問題的存在，必然導致卡普坦的結論不夠牢靠。

就在卡普坦醉心于統(tǒng)計匯總數據，勾勒銀河系形狀的那些年，在美國加州距洛杉磯32公里的威爾遜山上，一個巨大的工程項目正在悄悄地進行。有著濃郁維多利亞時代風格的圓頂主建筑，讓人一看就知道這是一個天文臺，在圓頂的下面，是一個雄偉壯觀的巨型支架，在它上面，將支起一架全世界最大的光學望遠鏡。1917年，口徑達到2.5米的胡克望遠鏡在威爾遜山天文臺安裝完成，終于把占據世界第一寶座72年的羅斯伯爵的望遠鏡比了下去。這座天文臺在今后的50多年中，將迎來一位又一位天文學巨星，做出一個又一個世人矚目的偉大成就。沙普利（Shapley，1885年～1972年）正是這個傳奇天文臺迎來的第一批天文學家之一，他此時感興趣的方向是球狀星團——星空中的另一種有趣而神秘的天體。在夜空中有一些“恒星”在肉眼和小型天文望遠鏡中沒有任何異狀，可是在大型望遠鏡中，它們的真面目會讓觀測者大吃一驚，這些看上去像單個恒星的天體其實是由幾萬甚至幾十萬顆恒星聚集在一起組成的。

圖13-4　位于天蝎座的M80球狀星團，擁有數十萬顆恒星　　圖片來源：NASA官網

沙普利對球狀星團著了迷，他在對93個球狀星團認真地觀測統(tǒng)計后，發(fā)現(xiàn)一個有趣的現(xiàn)象：這93個球狀星團的分布很不均勻，并不沿銀河聚集，有些離銀河很遠，最有意思的是它們中的三分之一集中在只占天空2％面積的人馬座內。沙普利從這個現(xiàn)象中得出的結論是：如果說太陽位于銀河中心（以下簡稱“銀心”）的話，那么球狀星團相對于銀心的分布就是不對稱的。這個結論怎么看都覺得不太對勁，也就是說，如果要讓球狀星團相對于銀心是對稱分布的，那只能讓太陽不位于銀河的中心了。于是，他畫了一個銀河草圖：

圖12-5　沙普利的銀河草圖

在這幅圖中，太陽的位置是在偏離銀心的邊緣位置上，后世的天文學家認為，沙普利的這張草圖是繼哥白尼之后第二次對人類中心說的革命，在人類的思想史上有著重要的意義。沙普利本人估計沒料到后人的評價會那么高，他看著圖，心中只在想一個問題：這些球狀星團離我們有多遠呢？

在這里，我不得不又一次岔開話題，談一下天文測距的相關知識，因為距離是我們認識宇宙的關鍵。測量宇宙中任何一個天體與地球的距離，最直接的方法是三角測量法，也就是本書前文中一再提及的視差測定。但這個方法，只能測定不超過400光年的距離，再遠就不行了，因為視差實在是太小了。

為了測定更遠的距離，天文學家們發(fā)展出了許多其它的方法。其中，準確度相對較高的一個方法是“造父變星”測距法?，F(xiàn)在，先跟我了解一下什么是“造父變星”。

說到這里，請讓我花點筆墨紀念一下身殘志堅的英國青年古德里克（Goodricke，1764年～1786年）。這個可憐但值得尊敬的孩子只活了22年，他是個聾啞人，但上帝為他打開了一扇窗——古德里克擁有一雙視力超強的眼睛。

他從小就喜歡看星星，年僅18歲時，他僅憑一雙肉眼，不借助任何望遠鏡和其他儀器，就測定了被稱為魔星的英仙座β（中文名是大陵五）星的亮度變化周期為2天20小時49分8秒，不但準確得讓人咂舌，甚至還提出它是由一亮一暗兩顆恒星組成的雙星系統(tǒng)的觀點。他把自己的發(fā)現(xiàn)報告給了英國皇家學會，經核實后，他被吸納為最年輕的皇家學會會員。

在22歲英年早逝前，他又發(fā)現(xiàn)了另外兩顆著名的變星：仙王座δ（中文名造父一）和天琴座β（浙臺二）。其中以仙王座δ星為代表的、本身光度就在變化的星星我們稱之為“造父變星”。

到了1908年，美國女天文學家勒維特（Leavitt，1868年～1921年）通過對造父變星的研究發(fā)現(xiàn)，造父變星的亮度和變星周期之間存在著數學關系。換句話說，只要測定出了一顆造父變星的光變周期P，就能通過經驗公式求出這顆星的絕對亮度值，然后再根據視亮度與距離的平方成反比的規(guī)律，測定出視星等，就能算出距離了。

因而，造父變星從此就成了天文測距的“量天尺”，有了它，沙普利就能測定出球狀星團的距離。果然，沙普利在好多球狀星團中發(fā)現(xiàn)了造父變星，這讓沙普利大喜過望，他在測定了眾多球狀星團的距離后，提出銀河系的直徑是30萬光年，厚3萬光年，銀心是在人馬座方向，距離太陽5萬光年。而我們今天知道銀河系的直徑是10到12萬光年，也可能是15到18萬光年，核球的厚度是1.5萬光年，邊緣厚3000～6000光年，太陽到銀心的距離是2.7萬光年（該數據引自維基百科2016年7月數據）。

沙普利的銀河系總體結構是對的，但是各項數值差得比較大。后來人們發(fā)現(xiàn)他錯誤的原因在于搞錯了造父變星的類型，并且他當時并不知道星際消光物質的存在，低估了視星等，這使他測得的所有距離都被大大地高估了。

這個錯誤，讓當時的主流天文學界在很長一段時期內更垂青于卡普坦的模型。當時的天文學界思考最多的兩個問題是：宇宙到底有多大？銀河系是不是整個宇宙？正所謂江山代有才人出，長江后浪推前浪，又一個巨星即將登場，他將回答這兩個有關宇宙的基本問題。