20世纪天体物理学的开拓者海尔

19世纪中叶以后，人们已不再局限于测定、研究天体的视位置和视运动（天体测量学），也不再局限于研究天体的力学运动（天体力学）了，而是发展到研究天体的形态、结构、化学组成、物理状态和演化规律，这便是天文学中的一个新分支——天体物理学。进入20世纪以后，天体物理学从襁褓时期进入蓬勃发展的时期，逐渐成为天文学中占主导地位的分支。在这一过程中，美国天文学家海尔成为举足轻重的人物，被誉为20世纪天体物理学的开拓者。

太阳单色光照相仪的发明

1868年6月29日，海尔出生于美国伊利诺伊州芝加哥，他的全名是乔治·埃勒里·海尔。其父是电梯制造商，产品远销美国各地甚至欧洲，并因此而致富。这位富商具有精湛的工艺，并十分爱好科学。海尔的母亲则十分爱好文学和诗歌。幼年的海尔深受双亲的熏陶，他既喜欢自己动手进行各种小实验，又喜欢博览群书。少年时期，海尔曾就读于奥尔兰公学，毕业后考入艾伦学院。1886年，18岁的海尔考入马萨诸塞州理工学院，主修物理学，同时他努力自学天文学，还自愿到哈佛大学天文台充当业余天文观测手。在这过程中，他对天文学的兴趣与日俱增，决心为之贡献出毕生的精力。

1890年，海尔毕业于马萨诸塞理工学院。毕业后不久，他便与康克林小姐结了婚，在蜜月旅行中他们访问了利克天文台。返回芝加哥之后，他得到父亲的资助，在自己住宅的顶层建起了一座私人天文台——肯伍德天文台。在这所天文台中有他自己动手设计建造的太阳光谱仪。

在肯伍德天文台，海尔还作出了他一生中的第一个重要发明。早在马萨诸塞州理工学院求学期间，他就开始考虑怎样用单色光来拍摄天体的照片，这对于恒星来说很难行得通：因为一方面恒星太暗弱，若将星光展成光谱后，仅仅截取该光谱中某波长附近的单色光很难拍到成功的恒星单色光照片；另一方面恒星是一个点光源，使用望远镜也无法显示出它的视圆面，因此即使获得了它的单色光照片也无法显示出它的表面细节。但对太阳而言，情况就完全不同了。太阳发出的光很强，即使使用某波长附近的单色光就足以使底片很快感光，况且太阳又是一个延伸天体。海尔想到若获得了太阳某种单色光的照片，也许可以取得许多太阳白光照片所无法显示出的新信息。

经过数年的深思，海尔终于在1891年发明了一种依靠太阳像和底片同步扫描来获得太阳单色像的装置——太阳单色光照相仪。

海尔所发明的太阳单色光照相仪在此后近四十年中成为对太阳进行观测研究的重要武器。太阳白光照相只能把太阳光球上黑子等现象拍摄下来，但对太阳光球上的色球层中的太阳活动现象却无能为力。然而使用太阳单色光照相仪却可获得Hα（氢的第一条巴耳末线，其波长为6563埃，1埃＝10-8厘米）等谱线处的太阳单色光照片，由于该波长处的辐射主要是由太阳色球层发出的，所以这种太阳单色光照片实际上是太阳色球层的像。在这种照片上，太阳耀斑（太阳色球上层的剧烈爆发）、日珥（突出于太阳边缘的抛射物）等现象清晰可见。直到20世纪30年代，法国天文学家李奥将他发明的偏振干涉滤光器装在望远镜终端，构成了专用于观测太阳色球的色球望远镜，它能更直接、更迅速地获得太阳的单色像，海尔的太阳单色光照相仪才逐渐退出历史舞台。

筹建叶凯士天文台

1892年，海尔受聘任芝加哥大学天体物理学副教授。他很想为该校建立一座拥有举世瞩目大望远镜的天文台。在这之前，他与夫人蜜月旅行时曾见过利克天文台的口径91厘米的折射望远镜，它是美国光学家克拉克父子在1888年完成的杰作。这架当时世界上最大的折射望远镜给海尔留下了极深刻的印象。

利克天文台这架口径91厘米的折射望远镜落成前几个月，老克拉克不幸谢世，小克拉克决心继承父亲的遗志，研制口径更大的折射望远镜。不久，南加利福尼亚大学提出了一个雄心勃勃的计划，他们想请小克拉克研制一台口径102厘米的折射望远镜。但当小克拉克为此计划买来了磨制消色差物镜的冕牌玻璃和火石玻璃两种镜坯之后，这所大学因无法筹齐研制望远镜的经费而使该计划搁浅。海尔得悉这件事后，决心出面扭转这一尴尬局面，他瞄准了一位猎取对象——芝加哥首屈一指的巨富金融家叶凯士，他以高超的技巧一次次向后者游说，使后者一再增加捐款，最后后者发现自己已为该望远镜以及安装它的天文台投入了349000美元。

有了这笔巨款，海尔一面代表芝加哥大学向小克拉克订购口径102厘米的折射望远镜，一面又为安装此望远镜选择合适的天文台台址。小克拉克全力以赴地开始了研制工作，他根据精密的设计用冕牌玻璃镜坯磨制成凸透镜，又用火石玻璃镜坯磨制成凹透镜，两透镜组合以后成了焦距约18米的像质极佳的消色差物镜。与此同时他又研制出精密的望远镜机械组件。组装后这架望远镜总重量达18吨，但是它极为平衡，用很微小的力就可以使之指向天空的任何方位，它还能十分精确地跟踪天体的周日视运动。为安装这架望远镜，海尔在威斯康星州的日内瓦湖边选定了一个台址，它离芝加哥约130千米，海拔73米，观测条件相当优越。这座隶属于芝加哥大学的新天文台用捐款人的姓氏命名，称叶凯士天文台。

1897年5月21日，口径102厘米的折射望远镜在叶凯士天文台首次启用，小克拉克在这之后三周谢世。该望远镜至今还是世界上口径最大的折射望远镜。

“太阳物理学之父”

1895年，海尔担任叶凯士天文台首任台长。1897年，他又被聘为芝加哥大学天体物理学教授。进入20世纪之后，海尔又开始规划筹建一座不隶属于任何大学的独立的一流天文台。在加利福尼亚州帕萨迪纳东北方48千米处有一座海拔1800米的威尔逊山，经考察那里是进行天文观测的极佳地点，海尔便筹划在此建一座新天文台——威尔逊山天文台。经过他多方奔走，这一规划获得了卡内基基金会的一大笔资助。于是他一面留任叶凯士天文台台长（直至1905年），一面又开始了威尔逊山天文台的筹建工作，并在1904～1923年任该台台长。

威尔逊山天文台率先开展的一项工作是对太阳的观测研究。为了细致地研究太阳光谱，就必须有色散度很高的太阳光谱仪，它体积庞大，又很沉重，无法直接挂在望远镜的终端，因此最好的办法是将它固定在实验室中。那么怎样才能保证太阳横空而过时，其光束始终不变地射向该光谱仪呢？海尔采用了一种“定天镜”系统，它由两块平面镜组成，凭藉其相对位置的变化和不断地绕轴转动，可使得太阳光束始终沿水平方向投向某个固定方位，然后在那里安装高色散的太阳光谱仪进行观测。这种仪器被称为“水平式太阳望远镜”。根据这一构想，威尔逊山天文台建成了第一架这样的望远镜，但它未及使用就被一场大火所焚毁。这时海伦·斯诺小姐慷慨捐款10000美元，建成了第二台水平式太阳望远镜，它又被命名为“斯诺望远镜”。1904年，海尔用它拍摄到第一张黑子光谱片。通过对黑子光谱的分析，他获得了黑子温度低于日面其他区域温度的结论。海尔还发现，由于阳光照射下地面上升气流的湍动，水平式太阳望远镜的成像质量往往不理想，于是他又构想出一种新方案，让定天镜反射出来的太阳光束不是在水平方向保持恒定，而是垂直地从上到下保持恒定，同时还用一座空心圆塔将这条太阳光束保护起来，使它与塔外地面上的上升热气流相隔离，然后在塔的底部装上一块平面镜把射来的太阳光束反射到太阳光谱仪等设备上。这种装置被称为塔式太阳望远镜，简称太阳塔，其成像质量远比水平式太阳望远镜好得多。1908年，海尔建成了高约18米的太阳塔，凭藉它所获得的高质量、高色散的太阳光谱，他发现太阳黑子区有些谱线竟是双重甚至三重的。这是什么原因造成的呢？他想起了荷兰物理学家塞曼的重要发现。1896年塞曼指出，在强磁场中的光源发出的谱线会发生分裂，如果视线方向和磁力线方向平行，谱线就分裂为二，两子线分别离开谱线中心位置，各自向红端与紫端位移；如果视线方向和磁力线方向垂直，谱线就分裂为三，除上面两条子线外还会在该谱线的原来位置上存在一条子线。塞曼还指出，磁场强度越大时分立子线间的间距也越大，这一重要发现后来被定名为塞曼效应。通过仔细的研究，海尔发现太阳黑子谱线的分裂现象正是由于黑子具有强磁场而引起的，他还据此推算出黑子的磁场高达十分之几特斯拉（1特斯拉等于10000高斯）。

1912年，海尔又主持建成了高46米的更精良的太阳塔，并配以高色散的太阳光谱仪。用它对太阳的进一步观测研究发现，不仅黑子存在磁场，而且整个太阳还存在着普遍磁场，其磁场强度比黑子磁场要微弱得多，1930年他测得太阳普遍磁场的强度为万分之四特斯拉。

使用上面提到的两座太阳塔，海尔等人对太阳黑子进行了长期的观测研究。他发现黑子也有通常偶极磁场所拥有的N极和S极，而且太阳表面以赤道为分界的南北两个半球上，所有的双极黑子群中的前导黑子和后随黑子都具有不同的极性，不同半球上的前导黑子的极性正好相反，后随黑子的极性也正好相反。

在海尔以前，天文学家都根据太阳黑子的多寡来划分，认为太阳黑子存在着11年的周期性，但海尔等人却在1913年发现，当一个11年的太阳黑子周结束而下一个黑子周开始时，在同一半球上的黑子群与上一周的黑子群相比，前导黑子与后随黑子的S、N磁极正好颠倒过来了。于是海尔在1919年提出，若考虑黑子的磁性，太阳活动的真正周期不是11年，而是22年，称为黑子的磁周期。同年他还提出了黑子群的磁分类法。

1923年，海尔研制成太阳单色光观测镜，它与太阳单色光照相仪相类似，是用扫描方式来获得太阳的单色像，但其终端不是使用底片拍照，而是用人眼进行目视观测，它更适合于对色球层中的太阳活动现象进行长期的、连续的监测。

海尔的这些工作，开创了用物理方法对太阳的深入研究，天体物理学中的重要分支——太阳物理学从此诞生。因此人们常将海尔誉为“太阳物理学之父”。

筹建巨型反射望远镜

海尔在叶凯士天文台所建的口径1.02米的折射望远镜已经达到了这类望远镜的顶峰，因为再加大物镜的口径时必须同时加厚物镜的厚度，于是口径增大所多收集到的星光就会被厚度变厚所多吸收的星光相抵消，因此加大物镜口径便不会再有多大作用。怎样才能研制出口径更大的望远镜以探索更遥远、更暗弱的天体呢？海尔想到了筹建巨型反射望远镜。

说到巨型反射望远镜，英国天文学家威廉·赫歇尔和罗斯伯爵三世已经起步在先，两人分别在1789年和1845年各自研制出口径1.22米和1.83米的反射望远镜，在当时堪称登峰造极。但那时的反射望远镜其物镜都是金属镜面的，它很难磨制，只能反射20%左右的星光，又容易失泽，而且在夜晚天文观测过程中，由于金属镜面受温度变化会产生微小形变，成像质量欠佳。但是，在威廉·赫歇尔和罗斯伯爵三世的时代，那是无奈的，因为那时的反射望远镜无法采用别的材料来磨制。有人想到，折射望远镜的物镜用玻璃磨制，那么反射望远镜的物镜是否也可以用玻璃来磨制呢？玻璃比金属比重小，价格低廉，容易研磨和抛光，但是玻璃是透明的，即使其镜面形状已研磨得符合要求，抛光得又很光洁，依然无法作为反射望远镜物镜来使用。因为只有一小部分的光从镜面直接反射，大部分光穿过镜面，照到它的底面，有的光穿出底面跑掉了，另有一些光又从底面反射回来，再次穿出镜面，结果直接从镜面反射的光便同从底面反射回来的光互相干扰，星像便显得模糊不清。

转折点于1856年到来，这一年，德国化学家利比希发明了在玻璃镜面上镀上银膜的技术。此技术立即被用到反射望远镜上。镀银后的镜面光鉴照人，它可以把80%以上的入射光反射出来，比金属镜面的反射率高得多。从此反射望远镜迎来了一场革命。到了海尔时代，金属镜面的反射望远镜已经淘汰，取而代之的是镀银的玻璃镜面的反射望远镜，只是那时的这种反射望远镜口径还不太大。海尔的雄心壮志是要建造比威廉·赫歇尔和罗斯伯爵三世的巨型金属面反射望远镜口径更大、性能更好、运转更灵活的巨型反射望远镜。在这方面他一生中实现了一个卓越不凡的“三级跳”。

“三级跳”的第一跳是筹建一台口径1.52米（60英寸）的反射望远镜。19世纪末年，芝加哥大学所属的叶凯士天文台打算研制一台大型反射望远镜，于是海尔的父亲从巴黎买来了一块口径1.52米的镜坯，但后来由于该台无法筹措到足够的经费而使此计划搁浅。1903年，海尔从卡内基基金会获得筹建威尔逊山天文台的经费时，建造一台大型反射望远镜已在该台的规划之中，这就是说经费已得到了保证。于是海尔从他父亲那里买来了这块镜坯，组织人研制口径1.52米的反射望远镜。1904年，海尔就任了威尔逊山天文台的首任台长，这项工作又成为他的首先要抓的几件大事之一。1908年，该望远镜在该台落成，它的性能比罗斯伯爵三世那台口径1.83米反射望远镜优越得多，用它曝光四小时，可拍摄暗到20等的恒星，用它拍摄恒星光谱也空前地清晰。

1.52米反射望远镜的第一项重要天文发现是由美国天文学家W.S.亚当斯作出的。当时，已发现天狼星的暗伴星比天狼星约暗10个星等，即它所发出的光只有天狼星的万分之一，但通过它与天狼星在天空中的波浪式自行轨迹推算出它的质量大体上相当于太阳质量，这样一颗恒星为何如此暗弱？1915年，W.S.亚当斯使用这台1.52米反射望远镜成功地拍摄到天狼星暗伴星的光谱，发现它的表面温度达10000℃左右，几乎与天狼星的表面温度相仿，于是它暗弱无光的惟一解释就是它的体积要比天狼星小很多很多。质量与太阳相仿的恒星其体积却如此地小，其结果必然是它的密度惊人地大，这种特殊类型的恒星后来被命名为白矮星。发现白矮星正是1.52米反射望远镜所作出的一项重要天文成果。

海尔的“三级跳”的第二跳是建造一架口径2.54米（100英寸）的反射望远镜。当口径1.52米的反射望远镜还在建造之时，美国洛杉矶的一位商人J.D.胡克就向海尔主动表示愿出巨资建造一台以他的姓氏命名的巨型反射望远镜。起初提供的捐款可以建造一台口径2.12米的反射望远镜，但为了确保在此后较长时间内不被别人所超过，胡克又主动增加了捐款，最后确定建造一台口径达2.54米的巨型反射望远镜。海尔得到这笔巨款后马上行动，订购镜坯，组织人设计和加工，1918年这台以捐款人的姓氏命名的胡克望远镜在威尔逊山天文台落成。此后30年中，它一直是望远镜之王。

许多重大天文发现是藉助于胡克望远镜作出的。该望远镜一建成，美国科学家A.A.迈克尔逊和F.G.皮斯就在1920年将他们制成的第一台恒星干涉仪安装在胡克望远镜上，同年底首次测出了红巨星参宿四（猎户座α）的角直径，此后又测得了其他几颗红巨星的角直径。

1924年，美国天文学家哈勃在威尔逊山天文台利用胡克望远镜拍摄仙女座大星云、三角座星云M33和人马座星云NGC6822的照片，利用其中发现的造父变星（一种因星体不断胀缩而产生光变的变星）测定了它们的距离，从而发现了银河系之外确实存在着别的星系，翻开了探索大宇宙的新篇章。此后，哈勃又用胡克望远镜测定许多星系的距离和视向速度，1929年发现了著名的哈勃定律。1944年，在威尔逊山天文台工作的德国天文学家巴德用胡克望远镜拍摄仙女座大星云和它的两个伴星系的照片，并通过进一步的研究率先确立了恒星往往可以分为两个不同的星族的科学概念。概言之，胡克望远镜对20世纪天文学的发展贡献巨大，特别是在星系和宇宙学的研究方面，其贡献尤为突出。

1923年，海尔因健康欠佳而退休，结束了他就任近二十年的威尔逊山天文台台长生涯。但他在稍事休息以后，1928年又开始部署建造一台口径5.08米（200英寸）的反射望远镜，这也是他卓越不凡的“三级跳”中的最后一跳。由于洛杉矶市的发展已使尘埃和夜晚的亮光逐渐对威尔逊山天文台的天空产生不利影响，特别对用大望远镜拍摄遥远星系和其他暗弱天体影响更大，所以海尔决定该望远镜不能安装在威尔逊山天文台，他选定了离威尔逊山天文台150千米处的帕洛马山为新台址。他从洛克菲勒基金会争取到600万美元的巨额资助后，立即开始建造该望远镜和它所在的帕洛马山天文台。为了减小观测时温差对镜面形状的影响，他所选用的物镜镜坯是用派勒克斯玻璃制成的，而且镜坯不铸成一个实心玻璃柱，而制成正面有平滑表面、背面却是由纵横交叉肋材构成的蜂窝状结构物。这样的反射镜磨制成后，镜面任何一点与背面空隙处的距离都小于5厘米，于是外界温度的变化将迅速传遍整块物镜，这对减少物镜的形变很有好处。1934年，按照这样的设计思想制成的物镜毛坯在美国纽约州科宁市的科宁玻璃厂制成，经过10个月的缓慢冷却，才用火车沿专门选择的路线运到筹建中的帕洛马山天文台。然后开始了磨制工程，用了31吨磨料磨去镜面中心部分的4.5吨玻璃，整个镜面任何地方不得有百万分之一厘米的偏差，最后成型的反射物镜重14.5吨。整台望远镜的机械配件研制得十分精密，可转动部分共重530吨，但运转十分灵巧。由于1931年真空镀铝技术问世，此后不久被用到反射望远镜上，所以这台望远镜的镜面不再是镀银的而是镀铝的，它比银面能保持更长时间不失泽，而且在较宽波段范围内反射本领都比较高。它能拍摄到暗至23等的天体，这样的天体其亮度只有肉眼可见最暗天体的六百万分之一，通过长时间的曝光甚至可以拍摄到远达十亿光年的星系的光谱。

1938年2月21日，海尔在美国加里福尼亚州帕萨迪纳市去世。由于第二次世界大战的影响，5.08米反射望远镜在他去世十年之后才在帕洛马山天文台落成。但人们并没有忘记他的巨大功绩，该望远镜被命名为海尔望远镜。1969年12月，美国将威尔逊山天文台和帕洛马山天文台两台合并，为了纪念海尔的功绩，合并后的天文台被命名为海尔天文台。

科学事业的杰出组织者

海尔一生中共发表论文和各类文章400余篇，并著有《一座高山天文台十年的工作》（1915年出版）、《新天空》（1922年出版）、《宇宙的深度》（1924年出版）、《银河系之外》（1926年出版）、《1917～1924年太阳黑子磁场观测》（与S.B.尼科尔逊合著，1938年出版）等多部著作。但更突出的是，他是一位科学事业的杰出组织者。前文论及他游说富商捐款建造大望远镜便是这方面的重要体现。除此以外，他在这方面的贡献还很多。

海尔任威尔逊山天文台台长近20年。建台初期，他带领同事们伐木、筑路、建房、搬运和安装仪器，筚路篮缕，艰辛备尝。天文台初步建成后，他一方面致力于不断改善天文台的装备，建造大的太阳塔和巨型反射望远镜；一方面又注意人才建设，他聘请有才华的青年学者来台工作，并注意吸引各国著名学者前来进行客座研究。这些措施使威尔逊山天文台人才济济，逐渐成为当时世界上最有声望的天文台之一。

1906年，海尔受聘为思鲁普工学院的理事。该学院原先学术水平较低，海尔与著名物理学家密立根等人合作，将该校改组为加利福尼亚理工学院。他们为该校制定了严谨求实的办学方针，注意活跃学术空气，提高学术研究水平和教学质量，逐渐使该校成为美国学术水平最高的高等学府之一。

1899年，海尔任美国天文学和天体物理学会（美国天文学会的前身）副会长，1902年当选为美国国家科学院院士。他十分热心于学术团体的组织建设工作。在他的筹备和组织下，国际太阳研究联合会于1905年正式成立。后来，该联合会与国际天图组织、国际测时与纬度联合会等学术机构合并，组建成著名的国际天文学联合会。1916年，海尔任美国国家研究理事会首任主席，在他的倡议和组织下，1919年成立了国际研究理事会（国际科学联合会理事会的前身），1932年海尔任该会主席。

海尔还致力于学术刊物的建设。1891年，他与佩恩共同创办《天文学与天体物理学》杂志；1895年，他又与基勒共同创办了《天体物理学杂志》。这两个刊物目前都已成为国际著名的天文学刊物。

综观海尔的一生，可以看出他与许多著名天文学家有一个明显的不同，他不仅在自身研究领域（太阳物理学）成果卓著，而且又是科学事业的杰出组织者。他深信科学事业要靠一大批人携手合作才能更快发展。他为科学事业所做的组织工作、所进行的社会活动，如游说富商为建造大望远镜捐款、筹备和组建国际学术机构、创办国际性天文刊物等，后来都结出了丰硕的成果。他的这些工作影响十分深远，有力地推动了二十世纪天文学的发展。