九十六年前一次通過投票表決的科學辯論最後得到了什麼樣的結果？

主張「島宇宙」的Heber Curtis（左）和主張「原恆星」的Harlow Shapley（右）。洛克菲勒大學

1920年，在廣義相對論剛剛發布不久的年代，天文學家曾經因為對「旋渦星雲」這種獨特天體的本質存在分歧，而把決定權交給過投票箱。

那時的人們對河外天體知之甚少。有一種觀點認為，這些旋渦狀的東西是形成中的恆星——原恆星。如果條件適合，宇宙中的氣體雲會在角動量和自身引力的作用下變成一個扁平的圓盤。圓盤中的物質會一邊旋轉一邊朝著中心運動。聚集了大量物質的圓盤中心最後變成恆星。恆星的產生過程確實如此。但當時爭論的一方認為，這就是天空中那些旋渦狀天體的本質。

歐洲南方天文台拍攝的一個原恆星及其周圍的原行星盤。原恆星應該是這個樣子，和星系完全不在一個尺度上。ESO

與此意見相左的另一方則認為，這些「旋渦」是所謂的「島宇宙」（其它星系），它們遠在我們的銀河系之外。1920年，兩派各執己見的科學家把擂台擺到了美國國家科學院。

認為這些「旋渦」是原恆星的科學家代表是Harlow Shapley，他已經是當時非常著名的天文學家。而認為「旋渦」是「島宇宙」的科學家代表是Heber Curtis。雖然知名度不如前者，但也頗有才幹，備受推崇（但看起來可能比較保守）。雙方擺出和證據其實是相同的，只是解釋不同。他們展示的證據有六個方面，並據此進行了辯論。由裁判官投票決定勝者。

仙女座星系M31。在我們知道它是星系前被稱作「星雲」。維基百科 / Kanwar Singh

證據一：針對M101（風車星系）的多年觀測結果表明，這個「星雲」身上有一些特徵表明它會緩慢自旋。Shapley據此認為這個「星雲」不可能是一個尺度有銀河系那麼大的天體，否則它的自旋速度就要比光速還要快。Curtis則認為不可能觀測到這種細微的運動，而且也沒有在其它旋渦天體身上發現同樣的現象。他認為這一觀測結果不可信。

證據二：針對M31（仙女座星系）的觀測結果表明，在它所在的小面積天區內，存在著許多閃光天體。它們和銀河系內明亮的「新星」很相似，只是較暗。它們聚集在該區域內的數量，要比銀河系其餘部分加起來還多。Curtis認為，這些天體和我們的距離十分遙遠，它們遠在幾百萬光年外的銀河系外部。而Shapley說，1885年產生的一次非常明亮的閃光不可能是新星，因此Curtis的解釋是錯誤的。

證據三：光譜觀測結果顯示，「旋渦星雲」的光譜特徵和許多已知恆星不同。Shapley認為，這是因為它們是星雲而不是恆星，因此必然有它們獨特的地方。Curtis則認為，它們實際上是由許多恆星組成的，只是這些恆星中的大部分和我們周邊的銀河系恆星不太一樣。他認為，那裡主要是一些更熱、更藍也更亮的恆星，它們所處的環境也和我們的不同，所以光譜特徵有偏差並不奇怪。

證據四：為何我們沒有在銀河方向觀測到這樣的「旋渦星雲」？這個證據對Shapley是不利的，因為銀河中理應存在更多的恆星。Curtis認為，這些「旋渦星雲」其實遍布天空，只是因為它們離銀河系極其遙遠，所以我們看不到銀河系後方的它們。而Shapley只好說，銀河中可能存在著一些特殊的因素，使得原恆星不適合在那裡形成。有意思的是，他也認為銀河系可能要比想像的大，太陽離銀河系中心也很遠。銀河中存在著許多能夠阻擋光線的塵埃，阻擋了這些「星雲」。現在我們知道，在這兩個方面，他們倆都說對了：銀河系身後的確存在著許多「旋渦星雲」，而我們也因塵埃的阻擋而難以發現它們。

證據五：我們周邊的恆星如果在Curtis所說的那麼遠距離上會因為過於昏暗而看不到。Shapley說唯一的解釋是這些「旋渦星雲」並非由恆星組成。Curtis則以第三條證據加以了說明：這些星雲其實充滿了恆星，但它們大部分和我們周邊的恆星不同。

證據六：針對這些旋渦狀天體運動速度的測定表明，其中有一些，比如M81隻有每秒幾公里。銀河系內天體的運動速度通常都非常高，可達每秒幾百甚至上千公里。只有少數正在離我們遠去的是例外。對此雙方都難以給出令人信服的解釋。

現在我們已經知道，Curtis在許多方面的主張幾乎都是正確的。

1. M101並沒有發生可感的自旋，Adriaan van Maanen提供的觀測證據是錯誤的。

2. 其它星系中也存在新星，1885年觀測到的「明亮閃光」是一顆超新星，1920年的科學家還不知道這種東西。

3. 決定星系光譜特徵的是那些和我們周邊恆星相比更亮更藍的恆星，星系光譜和它們體內恆星的成份有關。

4. 我們很難看到銀河系後方的天體。但那裡確實存在著許多星系，我們能夠看到多少，取決於我們視線的穿透力。

5. 我們在夜空中看到的恆星並不能代表星系中的所有恆星。

6. 遙遠的星系看起來都在離我們遠去，離我們越遠的星系遠離我們的速度越快——因為宇宙在膨脹。

然而Curtis最後還是輸了。投票的結果是Curtis贏得一局，Shapley贏得四局，剩下一局打成平手。

有意思的是，投票的結果並不重要。科學辯論，並不是要達成所謂的共識，而是要提出有待闡明的問題並得出答案。

帶有Hubble手跡的天文攝影底片。Cynthia Hunt / Dan Kohne

1923年，這個問題的答案被Edwin Hubble通過證據獲得。在測量了離我們最近的仙女座星系中單一恆星的特點後，他發現這些恆星離我們有幾百萬光年，遠在銀河系以外。這些旋渦狀的「星雲」其實是和我們銀河系性質相同的星系。這一結果，永遠地改變了我們的宇宙觀。

（作者為天體物理學博士Ethan Siegel）

關注微信公眾號 cosmoscape 也有意思