他是一名醫生，卻改變了天文學_風聞
返朴-返朴官方账号-关注返朴（ID：fanpu2019）,阅读更多！05-17 09:39
照相術與望遠鏡觀測的結合是天文學發展的一個重要轉折點。這個結合的產物——天文照相術——使舊天文學轉型為新天文學，也使天體物理學蓬勃發展。多才多藝的亨利·德雷珀（Henry Draper，1837-1882）是天文照相術的偉大先驅之一。他是第一個拍攝到恆星光譜吸收線的人、也是第一個拍攝到星雲照片與彗星光譜的人。他與同時代的其他幾位天文照相先驅重塑了天文學的面貌，惠及過去100多年的天文學家與業餘天文愛好者。
撰文 | 王善欽
很多人都曾被精美而絢麗的深空照片所震撼。事實上，天文照相不僅僅吸引着大量業餘天文愛好者，也是當今職業天文學家從事觀測與分析的必備基礎。現代的職業天文學家利用望遠鏡採集星光，然後用CCD之類的成像儀器拍攝天體的圖像或光譜（光經過稜鏡、光柵等分光設備後分解為多種顏色，就是光譜）。
8.2米口徑的甚大望遠鏡（VLT）上的HAWK-I拍攝的獵户座星雲（M42）的紅外合成偽色圖像。圖片來源：ESO/H. Drass et al.
今天，這一切都顯得理所當然。然而，這並不是傳統天文學的模式。200年前以及更早以前，天文學家還只能用肉眼或者肉眼搭配望遠鏡觀測星空，然後用文字或繪圖的方式記載星空及其變化。
當照相技術於1817-1839年之間被髮明並長足發展之後，一批富有遠見的科學家將這門新興的技術與天文觀測結合為強有力的天文照相術，並在此後半個世紀不斷改進，最終使天文照相成為天文觀測的主流模式。
多才多藝的亨利·德雷珀（Henry Draper，1837-1882）是天文照相的傑出先驅之一。在他短暫的一生中，他通過天文照相在天文學領域做出多個引領世界的重大貢獻，深刻改變了天文學的面貌與研究方式。然而，他的正式職業卻是醫生與生理學教授。這樣一位被定義為“業餘天文學”的醫生如何改變了天文學？
天文照相的早期發展
1837年3月7日，亨利·德雷珀出生於美國弗吉尼亞州愛德華王子郡（Prince Edward county）。他的父親是當時已經很著名的通才科學家約翰·威廉·德雷珀（John William Draper，1811-1882，以下簡稱為“約翰”），他的母親是安東尼婭·加德納（Antonia Gardner，1814-1870）。
約翰與妻子有6個孩子，德雷珀排行第二。
德雷珀出生那一年， 26歲的約翰被任命為紐約大學正在籌建的醫學院的領頭人之一。在德雷珀2歲那一年，約翰被任命為紐約大學化學與植物學的教授，帶着家人搬到紐約。
德雷珀出生前後，正是照相術發展起來的時代。
1822年，法國藝術家約瑟夫·尼爾普斯（Joseph Nicéphore Niépce，1765-1833）用自己製作的摻雜了銀鹽的瀝青作為感光材料，塗在玻璃板上，並用它拍攝出世界上第一張照片，這就是最原始的“日光蝕刻法”照相術（陽光照射到的瀝青變硬，未被陽光硬化的瀝青被薰衣草油溶解）。不過，這張照片沒有被保存下來。世界上被保存下來的第一張照片是尼爾普斯於1826年或1827年用同樣的方法拍攝下來的。
照相術的發明是人類文明的重大飛躍之一，從此人們不用依賴繪畫記錄事物。
另一位藝術家路易斯·達蓋爾（Louis Jacques Mandé Daguerre，1787-1851）找到尼爾普斯，與其建立合作關係，繼續改進照相術。不幸的是，尼爾普斯於1833年逝世，達蓋爾獨自繼續研究。
1839年，達蓋爾的銀版照相術正式面世。銀版照相術以覆蓋在銅板上的碘化銀為感光物質。銀版照相的品質大大超過日光蝕刻照相，標誌着照相術進入實用階段。時至今日，銀版照相的英文依然是“達蓋爾照相”（daguerreotype）。
一開始，銀版照相的底片無法拿出暗室，因為光會導致本來未感光的部分也感光，從而導致底片毀壞。著名天文學家、化學家、數學家約翰·赫歇爾（John Herschel，1792-1871）於1839年指出，可以用硫代硫酸鈉（海波/大蘇打）溶解未感光的碘化銀，這就是“定影”。
銀版照相術面世後，一直對光的化學效應感興趣的約翰加快跟進，並在1839-1840年拍下一批照片，其中的人臉照片可能是世界上最早的人臉照片。
既然可以拍攝地上的物體，那麼自然也可以用它來拍攝天上的物體。達蓋爾是第一個嘗試拍攝天體照片的人，他於1839年1月拍攝了月球的照片，但只拍出了一個模糊的光團。
1840年3月23日，約翰使用5英寸（13釐米）口徑的望遠鏡，跟蹤月亮20分鐘，成功拍攝到清晰的月亮照片，成為世界上第一個成功拍攝到天體照片的人。他也因此成為天文照相的先驅。那一年，天文學與照相術正式結合在一起，當時約翰29歲。
照相術進入天文學，具有重大的意義。
首先，此前天文學家只能用繪畫或用文字描述觀測到的天體圖像與光譜，其精確度嚴重依賴繪畫功底與觀測精度；天文照相得到的圖像則精確描繪了天體的位置與形態。
其次，在確保精確度之後，天文學家可以比較不同時期拍攝的圖像，從中發現天體位置與形態的變化。
第三，人眼無法通過長時間凝視天體的方式觀測到暗淡的天體；天文照相術可通過長時間曝光的方法讓暗淡天體成像。我們看到的那些色彩斑斕的星雲與星系的照片，都是長時間曝光的結果，用眼睛直接看或貼着望遠鏡看，無法看到那麼明亮且絢麗的色彩。長期曝光的本質是獲得更多的光，等價於使用大得多的望遠鏡或在近得多的距離觀看，因此這並不是造假與誇張。
1843年，約翰用銀版照相法拍攝了太陽衍射光譜，並在底片中發現了新的紅外線和紫外線。這是人類首次拍攝到太陽的衍射光譜。此前，人們普遍認為太陽光譜的三個部分有各自不同類型的能量：紅外線產生熱，紫外線產生光化學效應，可見光只是光。約翰通過嚴謹的研究後指出：這是一個錯誤的認識，實際上所有波長的光都有光化學作用。
1840年-1873年，約翰先後擔任紐約大學醫學院教授和院長，博學多才的約翰為少年時期的德雷珀營造了非常好的學術氛圍。他的嚴謹與堅韌不屈的品質也深刻影響了德雷珀。
約翰的言傳身教使德雷珀很早就進入科研領域：早在1850年，約翰就帶着當時13歲的德雷珀，在實驗室通過顯微鏡製作顯微照片。在製作照片的過程中，約翰向兒子介紹了照相技術及其應用，德雷珀因此從小就對化學和照相術有強烈興趣。
少年照相專家
1851年，英國照相師弗雷德裏克·阿切爾（Frederick Scott Archer，1813-1857）發明濕版（Wet-plate）照相術。他將碘化鎘、溴化鎘等化合物混合到珂羅酊（collodion，以酒精與乙醚為溶劑的硝化纖維素溶液）中，再將得到的混合物塗在玻璃板上，乙醚揮發後，再將乾燥的板浸入硝酸銀溶液中，經過3-5分鐘將其取出，形成濕版底片。濕版底片感光靈敏，只需要2-3秒就可以完成對普通物體的感光，這是照相術的一大進步。
1852年，15歲的德雷珀在紐約大學結束預科課程，開始攻讀本科學位。大二結束後，德雷珀在約翰的建議下，轉入醫學系，研究課題是人的脾臟。為了更精確地描述結果，他在研究過程中使用了顯微照相技術，並努力改進。
在此過程中，德雷珀發現氯化鈀在暗化珂羅酊濕版底片方面有顯著效果。1856年，年僅19歲的德雷珀將這一發現發表論文，這個成果在此後被證明具有很大價值。
1857年，20歲的德雷珀以優異成績通過了所有考試，完成醫學本科學業。然而，此時他還沒有達到當時紐約大學規定的畢業年齡，因此暫時無法畢業。於是，他在弟弟丹尼爾（Daniel Draper, 1841-1931）的陪同下，去歐洲遊學一年。
在歐洲遊學期間，德雷珀與其他人應威廉·帕松斯（William Parsons，1800-1867）之邀，參觀了位於比爾城堡（Birr Castle）的6英尺（1.82米）口徑的反射望遠鏡。在那裏，德雷珀還看到了製造望遠鏡的機器，瞭解了製造望遠鏡的方法。這使他對製造望遠鏡以及用望遠鏡觀測天體的興趣大大提升。
不精通機械製造的醫生就不是好的天文學家
1858年，德雷珀回國，獲得了醫學學位。同年9月，德雷珀在丹尼爾的協助下，開始澆築15.5英寸口徑的金屬主鏡，並在11月初成功。接着他們製造機器來打磨和拋光主鏡，這個工作持續到1859年夏天。
不幸的是，這個鏡子在1860年2月裂成兩半，原因是一些水進入支撐殼後凍結、膨脹。同年6月，約翰前往歐洲，拜訪了約翰·赫歇爾。赫歇爾建議德雷珀放棄金屬鏡，用玻璃製作主鏡。此前一年，法國著名天文學家與物理學家傅科（Jean Bernard Léon Foucault，1819-1868）製成第一個鍍銀玻璃反射鏡。
玻璃比金屬輕得多，且鍍銀之後能反射90%以上的入射光。約翰將赫歇爾的建議轉告德雷珀。德雷珀立即動手澆築3個口徑為15.5英寸（39釐米）的玻璃鏡，並利用新制造的打磨機來打磨，使它們的反射面分別是接近球面、拋物面與雙曲面形。
1861年10月，德雷珀開始測試自己製造的3個玻璃主鏡。這3個玻璃主鏡中，2號鏡的放大倍率達到1000倍，在還沒被鍍銀時就能分解出一些雙星的成員。
在製造望遠鏡的同時，德雷珀於1858年僱傭一個鄉村木匠建設天文台。他將天文台的地址選在紐約哈德遜（Hudson）河旁邊的黑斯廷斯（Hastings）村。11年前，約翰在這裏買下一塊20英畝的土地，並在上面蓋了避暑別墅。德雷珀將這塊地的最高點選為天文台的台址，它的海拔僅為225英尺（約69米）。
在天文台建成、15.5英寸的鍍銀玻璃鏡面完成後，德雷珀將其中一塊主鏡與其他部件精準地安裝為一台反射望遠鏡，並將它安裝到天文台的圓頂裏面。為了驅動望遠鏡旋轉，德雷珀還給它安裝了驅動鍾，使其能夠穩定而精準地跟蹤天體。德雷珀還在天文台裏面建設了一個用於沖洗天體照片的暗室。
1860年11月，天文台正式落成，它在後來被稱為“亨利·德雷珀天文台”（Henry Draper Observatory）。那一年，23歲的德雷珀成為紐約大學自然科學教授。天文台建成後，德雷珀一般選擇在夏天在黑斯廷斯的天文台觀測，冬天在紐約的實驗室進行不需要望遠鏡的實驗與分析工作。
在製造鏡面、安裝望遠鏡、製造精準的驅動鍾等過程中，德雷珀顯示出他在機械製造的過人天賦與百折不撓的毅力。在他位於紐約的實驗室裏，車牀、磨牀、各種製造工具門類齊全。為了製造這個鏡子，他與丹尼爾一起製造並拋光了近100塊其他玻璃鏡，它們的直徑從0.25英寸（0.635釐米）到19英寸（48.26釐米）不等。
德雷珀製造的望遠鏡引起了史密森學會（Smithsonian Institution）第一任秘書、著名科學家約瑟夫·亨利（Joseph Henry，1797-1878）的極大興趣。他於1863年春參觀了德雷珀的實驗室和天文台，並邀請他寫一本專著。
德雷珀為此寫了《鍍銀玻璃望遠鏡的建造》（On the Construction of A Silvered Glass Telescope）一書，講述15.5英寸望遠鏡鏡面的製造、打磨、拋光、安裝、運行，天文台的建設、照相實驗室的建設、天文照相等課題。這本書於1864年7月由史密森學會出版後，成為這一領域公認的權威著作，並被多次再版。
除了這部專著外，德雷珀在1860-1864年之間還發表多篇論文，討論照相術、照相術與望遠鏡的結合等問題。
黑斯廷斯上空的月亮
1862年4月，德雷珀開始拍攝月球的照片。秋天，他重新拋光3號鏡子，使其能夠分辨出天狼星的伴星，分解出一些雙星與多星系統的成員，並觀測到木星衞星的盤面。1862年冬天，他開始拍攝太陽的銀版照片與單寧（鞣酸）底片照片。
從1863年夏天開始，德雷珀又開始拍攝月球的照片。德雷珀拍攝了1500多張月球照片。這批照片中，最清晰的是1863年8月的第一個星期拍攝的，它們被稱為“黑斯廷斯上空的月亮”（“Moon Over Hastings”）。這些照片是當時世界上最清晰的月球照片，在天文學發展史上具有重大意義。
1864年，德雷珀拍攝的月球照片發表在一個雜誌的一篇介紹月球的長文章中，這使他聲名鵲起。此後，陸續有著名的科學家、發明家與社會名流來參觀德雷珀的天文台，包括著名發明家托馬斯·愛迪生（Thomas Edison，1847-1931）與塞繆爾·莫爾斯（Samuel Morse，1791-1872）。
雖然德雷珀將大量業餘時間用於天文學研究，但他並未因此荒廢自己的本職工作。在自己的工作崗位上，他盡職盡責，深得學生們的認可與喜愛。1866年，德雷珀被任命為醫學院生理學教授，同時兼任院長；同年，他出版了一本化學教科書。
捕獲星星的“指紋”
1867年，德雷珀與瑪麗·安娜·帕爾末（Mary Anna Palmer，1839-1914）結婚。後者婚後隨夫姓，並去掉首名“瑪麗”，因此改名為安娜·帕爾末·德雷珀（Anna Palmer Draper）。我們在下面稱其為“安娜”。
兩人在婚後成為合作無間的科學伴侶，瑪麗成為德雷珀的得力助手。他們經常在紐約的實驗室裏一起工作，而在天文台觀測時，安娜每次都陪伴德雷珀，協助他安放、處理底片。
1867年，結婚之後不久的夫妻倆購買了鏡坯，建設口徑為28英寸（71釐米）的反射望遠鏡，經過41次的打磨與拋光，他們在1869年4月1日完成了主鏡，共耗時18個月。
1869年夏天，德雷珀在天文台的圓頂附近建設了一個更大的圓頂，並在當年8月將28英寸望遠鏡安裝到其中。此後，德雷珀將主鏡卸下來，為其鍍銀；在觀測之後，他對照片的清晰度不滿意，然後重新拋光主鏡，並在1872年3月為其重新鍍銀。
接着，德雷珀與安娜一起用這台新的望遠鏡拍攝恆星的光譜。
此前，英國天文學家威廉·哈金斯（William Huggins，1824-1910）與化學家威廉·米勒（William Allen Miller，1817-1870）於1863年使用濕版底片獲得天狼星與五車二（御夫座α星）的光譜，這是人類首次將恆星光譜與照相術結合在一起。然而，哈金斯與米勒拍攝的光譜相片未顯示出吸收線特徵。
在安娜的協助下，德雷珀於1872年5月29日拍攝到織女星光譜，但底片中也沒有顯示吸收線。1872年8月8日，德雷珀與安娜終於拍攝到織女星的更清晰的光譜，底片顯示出4條吸收線。
這是人類首次拍攝到顯示吸收線的恆星光譜。通過吸收線，人們才可以確定恆星的化學成分。吸收線如同恆星的指紋。德雷珀拍攝到的吸收線是氫線，這意味着織女星富含氫元素。憑藉這個成就，德雷珀夫妻倆超越了前輩哈金斯，在恆星光譜拍攝這個領域走到了世界同行之前。此外，德雷珀還成功獲得了顯示吸收線的牛郎星光譜。為了讓望遠鏡精確跟蹤恆星，從而實現足夠長時間的曝光，德雷珀設計了7個驅動鍾，才獲得最滿意的那個。
此後，哈金斯使用幹版底片拍攝了更多顯示吸收線的恆星光譜。恆星光譜拍攝在哈金斯與德雷珀的友好競爭中快速發展。
為了能夠將更多時間投入天文照相術中，德雷珀於1873年辭去紐約大學醫學院院長一職與生理學教授席位，僅保留了自然科學教授席位。但他隨後又被任命為分析化學系主任。
1876年7月，德雷珀發明了狹縫攝譜儀，並用它又拍攝了幾張織女星的光譜照片。
從1872-1882年的十年間，德雷珀在安娜的協助下，用100多張底片拍攝了78顆恆星與木星、金星、火星等行星的高品質光譜。
太陽基準光譜
在恆星光譜拍攝獲得重大進展的同時，德雷珀在太陽光譜拍攝這一領域也獲得了重大進展。
實際上，早在1869年秋天，德雷珀就開始研究太陽的衍射光譜。他先用車牀製作了光柵和金屬反射鏡，然後用後者直接成像。1872年秋，德雷珀重新開始這方面的工作，他從劉易斯·盧瑟福（Lewis Morris Rutherfurd，1816-1892）那裏獲得3塊精美的玻璃光柵。
他讓陽光照射到定日鏡，後者將陽光反射後，通過狹縫，再通過一個透鏡，然後照射光柵。光柵將陽光分解為光譜，光譜照射底片後成像。為了能夠讓自己與同行可以直接讀取光譜線的波長，德雷珀在鋼尺上刻上波長，達到了很高的精度。
1873年，德雷珀發表重要論文《衍射光譜照相》（On Diffraction Spectrum Photography），並在論文最後附上自己得到的最好的太陽光譜以及對應的波長刻度。這條光譜給出了波長從344納米到435納米之間的眾多太陽光譜線。
由於德雷珀光譜的精度很高，所以它很快成為太陽的基準光譜，連一向在光譜領域領先世界的歐洲同行也開始使用它來研究太陽與其他恆星的光譜。比如，恆星光譜分類的前輩權威安吉洛·塞奇（Angelo Secchi，1818-1878）將德雷珀得到的太陽基準光譜復刻到鋼片上，作為確定光譜波長的標準，並在他寫的研究太陽的專著中引用。
1874年，德雷珀被委任為那一年金星凌日觀測遠征隊的照相部主任，雖然他無法親臨觀測現場，但他用了幾個月時間指導觀測團隊照相技術，因此獲得國會獎章。
1876年，德雷珀同時拍攝了太陽光譜和地球大氣光譜，證明地球大氣中存在的氧也存在於太陽之中。
1878年7月29日，德雷珀夫婦在懷俄明州的羅林斯（Rawlins）火車站前的臨時觀測站，觀測日全食。在約3分鐘的日全食期間，德雷珀拍攝了日冕的圖像。
星雲與彗星
1875年，德雷珀從著名的望遠鏡製造商阿爾萬·克拉克（Alvan Clark，1804-1887）那裏購買了一台12英寸（30.5釐米）的折射望遠鏡，並將它與28英寸反射鏡放在同一個支架上使用。1880年，德雷珀用12英寸折射望遠鏡從克拉克那裏換了11英寸的折射望遠鏡，後者專門為天文照相定製。
