最近，歐洲航天局公布了來自蓋亞衛星的第三批數據，這份公開目錄提供了超過 10 億顆恒星的位置和速度。這是我們最近的一次嘗試，試圖回答天文學中一些最為古老的問題：恒星 ( 和星云 ) 在天空中是如何分布的？它們有多少、有多遠、有多亮？它們的位置和亮度會發生變化嗎？是否有科學所不知道的新種類的天體？

照片顯示的是發射星云，船底座埃塔 ( 原名阿古斯埃塔 ) ，使用南非好望角皇家天文臺的天文望遠鏡拍攝。這個復雜星云中心有一顆巨大但不穩定的恒星，未來一天它會發生壯觀的爆炸。

幾個世紀以來，天文學家一直在試圖回答這些問題。這項工作既費力又耗時，用望遠鏡鏡頭記錄下你看到的東西并不總是那么容易——即使你足夠幸運，有一臺望遠鏡。

現在，想象一種新技術，當它出現以后，人們才可能編制蓋亞目錄。它可以自動地準確記錄你看到的東西，并且任何人都可以使用它。

這種技術就是攝影。

這篇文章講述了攝影如何改變天文學的故事，以及數百名天文學家如何組成第一個國際科學合作組并開展完整的天空攝影調查 "天空之圖" 的經過。那次合作歷經長達一個世紀的努力，處理了幾十年來拍攝的數千張底片，手工測量了數百萬顆恒星的位置，制成了最大的夜空目錄。

不幸的是，天空之圖項目剛啟動的時候，我們收集自然世界數據的能力與我們分析它們的能力并不匹配。在這個項目進行的過程中，新儀器的出現使研究遙遠天體的物理過程成為可能。通過提供創造新模型來解釋世界的機會，新儀器與新技術吸引了與調查項目無關的科學家們參與到天文研究中。

對于致力于研究 " 天空之圖 " 的天文學家來說，當時還沒有任何模型能夠將數百萬顆恒星的位置抽象出來，形成一種關于銀河系如何演化的理論；相反，研究人員只有一種直覺，即攝影技術可能有助于繪制世界地圖。他們的直覺是對的，但許多天文學家花了將近一個世紀的時間、耗費整個職業生涯才有了結果。

攝影和天文學

Carte du Ciel 攝影天空調查使用的格林尼治皇家天文臺天文望遠鏡。該儀器由兩個安裝在赤道架上的折射望遠鏡組成。一個用來拍照，另一個用來確保長時間曝光時的準確跟蹤，這對于當時的感光性差的膠片來說是必要的。

1839 年，在尼塞費爾 · 尼埃普斯的基礎上，法國人路易 · 達蓋爾發現了如何在金屬板上制作永久圖像。而向世界公開這一技術的是巴黎天文臺主席、天文學家兼探險家弗朗索瓦 · 阿拉戈。

之前幾個世紀，天文學家一直在努力用筆記和手繪草圖記錄他們在夜空中看到的東西。考慮到早期儀器的光學畸變，要畫出你所能看到的東西并不總是那么容易。你可能會 " 觀察 " 到根本不存在的東西：可憐的意大利天文學家斯基亞帕雷利在米蘭天文臺畫出的火星上的運河和植被，不過是一種部分歸因于大氣擾動的光學錯覺。只有少數訓練有素的天文學家，如卡洛琳和威廉 · 赫歇爾，能立即在一個熟悉的星系中發現一顆新恒星。

攝影可以改變這一切。阿拉戈立刻意識到這項技術的巨大潛力：在深夜拍攝的圖像可以在白天輕松地進行定量分析。測量可以很精確，而且可以反復檢查。

達蓋爾得到了一筆專利費，并允許阿拉戈公開他的研究細節，這導致了巴黎和世界各地肖像工作室數目激增。但事實證明，達蓋爾的方法既不夠靈敏，也不夠實用，無法捕捉到除了最亮的恒星、太陽和月亮之外的任何物體。下一代熱門的新技術濕板膠體乳劑，也好不到哪里去：在拍攝暗淡天體所需的長時間曝光中，底片會變干。

天文學家不得不等了 40 年，直到 19 世紀 80 年代，非常靈敏的干照相底片才終于問世。

大彗星和大夢想

實驗人員在巴黎天文臺匯編 Carte du Ciel 時放大并測量照相底片上的恒星位置。木雕，1895 年。

一個千載難逢的事件使攝影正式成為天文學的常用手段。當時，一顆巨大的彗星從地球旁邊掠過。開普天文臺的主任大衛 · 吉爾想出了一個絕妙的主意，他將新型的靈敏照相機安裝在望遠鏡上。望遠鏡底座隨著地球的運動而轉動，使照相板能夠穩定地收集彗星發出的光。吉爾對照片中可見的大量細節感到驚訝，他意識到，有了合適的望遠鏡和光學設備，人們可能最終能夠實現天文學家的古老夢想：繪制一幅天空地圖。

這張天空圖不是手繪的：它將是精確和定量化的。這些星星可以被記錄在照相底片上，它們的數量、位置和亮度將被精確測量。吉爾寫信給巴黎天文臺的主任穆切斯，表示這一長久以來的夢想現在可能實現。

在 19 世紀末，巴黎天文臺是世界上最大的天文學中心之一。自 200 多年前成立以來，天文臺的目標是測量地球和天空：天文臺的第一任主任、繪制了法國地圖的卡西尼在 18 世紀試圖用地球周長來定義米。這是一個領導雄心勃勃的 " 天空之圖 " 項目的理想機構。

制作能夠攝影的望遠鏡

不幸的是，第一批照相底片非常清楚地暴露了 19 世紀望遠鏡的局限性。怎樣才能使一大片天空的圖像盡可能地完美無缺呢？色差是最嚴重的問題。因為不同波長的光彎曲程度不同，所以每個物體都被彩色光暈包圍著。在這樣的圖像上不可能精確測量恒星的位置。

與此同時，在巴黎，兩個才華橫溢的配鏡師學徒亨利兄弟一直在完善適合照相底片的鏡頭，他們打磨自己的鏡子，測試自己設計的巡天望遠鏡。他們的成就給穆切斯留下了深刻的印象，于是穆切斯給他們提供了一個天文臺的職位，到 1885 年，他們有了一個能夠拍攝 3x2 度的巨大天空照片的系統 ( 足夠拍攝 24 次滿月的空間 ) 。

這時，吉爾和穆切斯確信，人們期盼已久的 " 天空之圖 " 終于在技術上可行了。穆切斯把他的項目提交給了科學領域最重要的論壇——法蘭西學院。他向博學的院士們保證：依靠世界各地的天文臺，這項調查可以在幾年內以最低的成本完成。穆切斯是第一個發現這個老生常談的真理的天文學家：讓一個項目獲得批準的最可靠的方法是低估它的復雜性和成本。

1887 年國際天文攝影大會的與會者。

不久之后，他和吉爾在巴黎召開了世界上第一次國際天文學會議—— 1887 年的 " 天體學 " 會議——來計劃這次調查。一張會議的照片顯示，一排排滿臉胡須的男子神情嚴肅，有些人戴著帽子，拄著手杖。亨利兄弟坐在后排，離歐內斯特 · 戈蒂埃 ( Ernest Gautier ) 不遠，后者設計了亨利兄弟望遠鏡和光學鏡片所需的固體支架。這張照片是由納達爾拍攝的，他是當時著名的肖像攝影師。很難確切地說出會議地點；背景是墨黑的，但一定是在天文臺的某個地方。

這次會議的目的是就調查的技術參數達成協議。如果從我們現代的角度來閱讀會議記錄的話似乎會感到奇怪，會議記錄幾乎沒有詳細討論調查的科學目標或測量究竟需要多精確。討論很簡單 : 我們有了天文攝影這種奇妙的新技術，讓我們看看能用它實現什么。

描繪天空

1883 年 11 月，亨利兄弟保羅和普洛斯用巴黎天文臺的天文望遠鏡拍攝了這張照片。這張照片展示了仙后座的一個星場，這是攝影技術用來測量和繪制天空的早期例子。該項目分為兩部分。在第一個項目 " 天空之圖 ( Carte du ciel ) " 中，覆蓋整個天空的印版被印在金屬上，供以后參考。這些照片的曝光時間為 30 分鐘，顯示的恒星暗至 14 星等。對于第二組底片 ( " 天文測量 " 項目 ) ，分別進行了 20 秒、3 分鐘和 6 分鐘的三次曝光，每次曝光完，望遠鏡都進行輕微的移動，以識別底片的缺陷。

這個項目的目的是識別和編目所有亮于 11 星等的恒星 ( 注意星等系統是對數的：用雙筒望遠鏡能看到的最弱的恒星大約是 10 星等，11 星等的恒星大約是 10 星等亮度的一半 ) 。通過顯微鏡測量每顆恒星的位置，并將這些位置轉換為標準天體坐標系，由此從這些板塊中提取出恒星的目錄。每個板塊的面積為 2 平方度，是滿月面積的幾倍。

即便如此，覆蓋整個天空所需的底盤數量還是非常龐大：22000 個。這項工作由17 個天文臺合作負責。在法國，有波爾多、圖盧茲和巴黎天文臺。在北半球，英國、意大利、芬蘭和德國的天文臺參與了這個項目。在南半球，墨西哥、巴西、澳大利亞、智利、南非和阿根廷的望遠鏡保證了較低的赤緯。每個天文臺都使用亨利兄弟設計的望遠鏡以及高提耶的底座，并負責在各自的天空區域內編錄和打印底片。巴黎和其他天文臺之間通過電報來通信 ( 一位天文臺主任在會議上說他們有 " 免費數據 "；他們的電報不需要任何費用 ) 。

盡管哈佛大學的皮克林出席了會議，但沒有一個美國天文臺選擇參加這次調查。美國人認為，相對于在巴黎提出的大規模工作，一個更簡單、更快速的調查可能就足夠了，他們對有核心組織的大型項目持懷疑態度。

測量恒星

計算恒星在底片中位置的女性：多蘿西婭 · 克朗普克，穆勒斯 · 肖特，馬凱特，科尼爾，還有多芬。

巴黎天文臺成立了一個新的部門來管理這些項目，在 1907 年之前，他們連續召開了五次會議。調查所需的組織規模是驚人的。每個底盤會有 1000 到 2000 顆星星。每個底盤上的星星越多，他們需要的時間就越長，而完整的調查需要超過 100 萬顆。計算工作是由一群年輕女性完成的，她們的任務是計算每個底盤上星星的位置。

很快，這個龐大項目的成本開始變得清晰起來。手工計算星星當然很費時，但制作參考金屬板更是一項耗資巨大的工作，只有少數天文臺能做到。此外，天空中比較接近太陽系平面的部分，有更多的恒星：處理這些問題的天文臺顯然抽到了下下簽來進行這些計數工作。僅僅過了幾年，幾個天文臺就退出了這個項目。

然而，工作進展非常緩慢。與此同時，天文學也在發生變化：自調查開始以后的 30 年里，儀器和光學技術不斷發展，使調查開始時的觀測部分過時了。

天體物理學的創立

1888 年 12 月 29 日拍攝的仙女座星系照片，曝光時間長達 4 個小時。艾薩克 · 羅伯茨博士是一位業余天文學家，也是天體攝影的先驅，他用 20 英寸口徑反射望遠鏡拍攝了這張照片。

1889 年 2 月 4 日拍攝的獵戶座星云照片，曝光時間為 205 分鐘。

1889 年 3 月 31 日拍攝的漩渦星系照片，曝光時間為 3.5 小時。

攝于 1888 年 12 月 8 日的昴宿星團及其相關星云，曝光時間長達 4 小時。

1888 年 10 月 3 日拍攝的啞鈴 ( 行星狀 ) 星云照片，曝光時間長達 3 小時。

1887 年 7 月 14 日攝于狐座的環形 ( 行星狀 ) 星云照片，曝光時間為 60 分鐘。

與此同時，人們創造和完善了全新的儀器，使測量諸如恒星和星系中元素豐度等物理量成為可能。有了這些儀器，加利福尼亞州新建的大型天文臺創造了天體物理學這門新科學。在這些新領域工作所需的技能和知識與創建龐大的天空之圖截然不同。

回顧過去，一些天文學家開始認為天空之圖項目阻礙了法國的天體物理學誕生。另一些人則持相反的觀點：它導致了一個新的 " 天體物理服務 " 集合的誕生 ( 后來成為法國國家研究機構法國科學研究中心、一個新的實驗室巴黎天體物理研究所，以及一個位于法國南部上普羅旺斯的相關天文臺 ) 。

為什么這些新的實驗室如雨后春筍般出現？耗時耗力的 " 天空之圖 " 之外，天文學家必須有一些新的項目可做。事實上，有些天體物理學研究可以用天體目錄來進行，但是提取相關信息所需的分析技術還不存在。天體物理學的新研究分散了天空之圖項目的資源，但調查工作仍在繼續。第二次世界大戰后，1964 年，國際天文聯合會 ( International Astronomical Union ) 終于拍攝完了最后一塊底板，并宣布這項工作最終完成 ( 盡管在擴展版的天空之圖調查中，實際只拍攝了一半的底片 ) 。

數字化，重新計算一切

不久之后，電腦就出現了。天文學家意識到，這些新工具可以幫助重新分析天文學調查的數千張底片，其中大多數是在 20 世紀初拍攝的。在調查開始的一百年后，天文學家在幾十本印刷卷中的 22000 個底板中手動測量了所有恒星的位置，并將它們與第谷和希帕爾科斯等衛星上觀察到的更亮的參考恒星相結合。他們推導出了 400 萬顆恒星的新位置。

這份新目錄提供的百年天空圖片為探索天空的變化提供了一個獨特的機會。通過測量恒星的運動，天文學家希望能計算出星系周圍恒星的軌道，進而計算出銀河系的結構。由于恒星每年的移動幅度很小，要精確測量運動，就需要很長的時間跨度。但在隨后的幾年里，探測器和測量系統的改進造就了精度的指數級增長，而用天文測量確定的運動精度只會呈線性增長。最新一代高度精確的蓋亞目錄只需要幾年的基線，就可以輕松推導出 10 億顆恒星的運動，而不需要使用任何古老的目錄。

從天空之圖到蓋亞和歐幾里得

如今，天文學的發現是由大型國際合作推動的。大多數基礎設施項目，從地面望遠鏡到衛星，已經變得非常龐大和昂貴，沒有一個國家有希望完成它們。就像攝影術的黎明一樣，每一種新的探測器技術都驅使天文學家試圖回答一個簡單的問題：用這種儀器觀察宇宙會是什么樣子 ?

今天，我們正在慢慢地、循序漸進地在所有電磁波譜的波長上建立宇宙的高分辨率圖像。其中一些圖像被賣給了資助機構，它們關心一些特定的科學問題，但現實總是另一番景象。大多數天文學家希望，大量的數據可以導致的意想不到的新發現。 ( 引力波和基本粒子正在向我們講述有關宇宙內容的新故事。 )

" 天空之圖 " 項目可能沒有突破性的發現，但它可能是科學領域旨在利用新技術的大型國際合作的第一個例子。它遇到了現今這類項目通常會遇到的問題：成本超支、人力和計算能力不足、集中管理遲鈍、天文學家之間的程式沖突。

盡管存在這些問題，我們還是獲得了對宇宙獨特的 ( 不可否認的是有缺陷的 ) 觀察。《天空之圖》為未來的天文發現提供了寶貴的指示。蓋亞和未來旨在繪制宇宙地圖的項目，比如歐幾里得項目，都在當年始于巴黎的路線上前進。