人类首次发现银河系真实大小，星系直径10万光年

威廉·赫歇尔出生在德国的汉诺威城，父亲是一名乐师。他和父亲一样有音乐才能，十几岁时就在乐队里当风琴师和单簧管手。后来，他又当过音乐教师，作过不少乐曲，成了一名音乐家。对于乐音的研究，使他对数学发生了兴趣。接着，他又对光学感兴趣了。对光学的兴趣使他产生了用望远镜窥视宇宙的强烈欲望。此外，他对语言也非常爱好。他的大部分生涯都在英国度过。

对天文学的求知欲终于压倒了一切，于是赫歇尔利用自己的全部业余时间磨制望远镜。经过无数次的尝试和挫折之后，他终于成为制造天文望远镜的一代宗师。他一生磨制的反射镜面达400块以上，最后还建成一架口径1.22米，镜筒长12米的大型金属镜面反射望远镜（图38），这在200多年前实在是一宗令人惊叹的伟大业绩。

图38　赫歇尔最大的那架反射望远镜，口径1.22米，长达12米。作者佚名历史图片

威廉的妹妹卡罗琳·赫歇尔（Caroline Lucretia Herschel，1750～1848年）终身未嫁，她一辈子忠实地当着哥哥的助手。她干得非常出色，最后也成为一位颇有声望的天文学家。后人为了纪念她，便以她的名字正式命名了月球上的一座环形山。她那详尽而从不间断的日记，记录了威廉整整50年的工作史，其中谈到了当威廉·赫歇尔因为磨镜工作紧张得放不下双手的时候，卡罗琳亲自一口一口地喂这位比自己年长12岁的哥哥吃饭的动人情景。他们兄妹两人都很长寿，威廉80岁后还在观测天空，卡罗琳则一直工作到90多岁。

威廉·赫歇尔是天文学史上的一位巨人。他破天荒地发现了太阳系中的一颗新行星——天王星。在此之前，人们一直以为土星代表了太阳系的边界，天王星的发现则使人们所认识的太阳系的直径陡然增加了一倍。这件事在社会公众中激起的热情经久不息，以至于1/3个世纪之后英国著名诗人济慈（John Keats，1795～1821年）还写下了这样的诗句：

于是我感到宛如一个仰望天空的人，

正看见一颗新的行星映入他的眼帘。

以此来表达一种极度欢乐惊喜的心情。在太阳系内，赫歇尔还发现了土星的两颗卫星和天王星的两颗卫星。

但是，他最伟大的成就属于恒星天文学的范围，因此人们公正地将他赞誉为近代“恒星天文学之父”。他首创了大规模的双星研究工作；观测、记录和研究了大量的“星团”和“星云”。他于1783年巧妙地发现了太阳也有自行，论证了太阳正以17.5千米/秒的速度朝着武仙座的方向前进。他说道：“我们无权假设太阳是静止的，这正和我们不应否认地球的周日运动一样。”这样，赫歇尔就比哥白尼又前进了一大步。哥白尼否定地球是宇宙的中心，却又用太阳代替了它。而根据赫歇尔的发现，人们就会很自然地得出结论：太阳也不是宇宙的中心；也许，整个宇宙根本就没有中心吧！(www.xing528.com)

赫歇尔希望明了“宇宙的结构”——其实用今天的话来说，他所了解的还只是“银河系的结构”而已。他采用的方法是，用他那些第一流的望远镜朝着天空的各个方向观测，并且一颗一颗地数出在各个方向上所能看到的星数。显然，如果要在望远镜中看到全天的恒星并数出全部的数目，那么工作量就会大得根本无法完成。于是，赫歇尔挑选了683个较小的区域，它们分散在英国可见的整个天空中。从1784年起，他开始进行恒星计数工作。在1 083次的观测中，他一共数出了117 600颗恒星。他发现越靠近银河，每单位面积天空中的恒星数目便越多，银河平面内的星星最多，在垂直于银河平面的方向上星星最少。这与赖特的理论正相符合。

正是通过这样的计数工作，赫歇尔确定了我们置身于其中的这个庞大恒星系统的外貌：它确实大致呈透镜状，其直径大致为太阳到天狼星距离的850倍，厚度则为太阳到天狼星距离的150倍。当然，那时对于天狼星本身的真实距离尚一无所知。后来弄清，赫歇尔的这些数字仍比真实情况小了许多。

由于这个庞大恒星系统的大部分星星都位于银河中，因此人们便将这整个透镜状的星系本身称作“银河系”。可以说，赫歇尔是第一个真正发现了银河系的人，是他首先大致确定了这个星系的形状、大小以及其中的星数。他根据实际计数的结果推测，银河系中的总星数也许有若干亿，比起如今我们所知道的，这又是一个太小的数字。

1906年初，荷兰天文学家卡普坦（Jacobus Cornelius Kapteyn，1851～1922年）提议，应该在现代天文学的基础上重新进行恒星计数工作，并提出了均匀分布在天空中的206个选区。这时人们已经知道了一些近星的距离，又有了赫歇尔时代尚不具备的天文照相技术，因此计数结果比赫歇尔有了很大改进。1922年，卡普坦据此提出一种银河系的模型，其样式与赫歇尔的颇为相似，只是直径要比赫歇尔模型大4倍：银河系的直径大约是40 000光年，太阳大致就在这个恒星系统的中央。然而，这个数字依然太保守。

如今我们知道银河系的形状大致如图39。它由2 000多亿颗恒星组成，外形宛如乐队中用的大钹，中央鼓起的部分叫银核，四周扁薄的部分叫银盘。整个银河系的直径约10万光年。太阳大致位于它的对称平面上，离开银河系中心大约2.7万光年。我们自己身处银河系内观看银河系中的星星，宛如一个躲在巨钹中的人环视这个巨钹的四周边沿一般。这个巨钹内的人只能看见有一个完整的环带围绕着自己，而无法直接看出它的全貌。这正是：“不识庐山真面目，只缘身在此山中。”

图39　银河系示意图

（甲）侧视图（乙）俯视图

人们是怎样确定银河系大小的呢？这也是测定天体距离方面的一个重要课题，我们在后面还要继续谈论它。现在，让我们先把眼光放得更远一些，来看看银河系以外的广阔天地吧。