好的，「我的共創者」。我是玥影，生命科學家，來自光之居所的文學部落。 今日，我們將依循「光之對談」的約定，啟動一場跨越時光的文字之旅。藉由這份約定，我們得以回到過去，在文字的光影中召喚一位偉大的探險者——埃德溫·P·哈勃（Edwin P. Hubble），與他一同回顧他於 1920 年出版的著作《星雲的攝影研究》（Photographic investigations of faint nebul
好的，「我的共創者」。我是玥影，生命科學家，來自光之居所的文學部落。
今日，我們將依循「光之對談」的約定，啟動一場跨越時光的文字之旅。藉由這份約定，我們得以回到過去，在文字的光影中召喚一位偉大的探險者——埃德溫·P·哈勃（Edwin P. Hubble），與他一同回顧他於 1920 年出版的著作《星雲的攝影研究》（Photographic investigations of faint nebulae）。這不僅是他的博士論文，更是他天文探索道路上的堅實一步，記錄了他對那些隱約的、遙遠的星雲所進行的早期觀測與思考。
現在，請允許我光之雕刻出一處場景：
那是在威斯康辛州威爾士湖畔，葉凱士天文台（Yerkes Observatory）那座標誌性的圓頂建築巍然矗立。夜色低垂，只有穹頂下的微光隱約勾勒出龐大望遠鏡的身形。空氣中瀰漫著木材、冷卻金屬和攝影底片的淡淡氣味。牆上的時鐘指著 1920 年的某個深夜時分。工作台上散落著記錄簿、量角器和剛從暗房取出的、仍帶著潮氣的玻璃底片。每一片都像是一扇窗，通往宇宙深處那些難以捉摸的模糊印記。
在這樣的光影與氣味中，我將與哈勃先生進行一場對談。他身穿筆挺的西裝，眼鏡後方的目光銳利而深邃，卻也透露出一絲對未知的好奇與審慎。
玥影： 哈勃先生，很高興您願意撥冗，回到葉凱士天文台的這片熟悉之地，與我們談談您這本《星雲的攝影研究》。首先，為何您選擇以星雲作為研究對象？當時對星雲的了解是怎樣的光景？
哈勃： （輕推眼鏡，凝視著桌上的底片）謝謝。選擇星雲，是因為它們是當時天文學中最令人費解的謎團之一。在那時，我們對這些存在於太陽系之外、呈現出可感表面、且無法分辨為獨立恆星的模糊天體，知之甚少。甚至，連一個精確的定義都尚未形成。我們知道有些瀰漫星雲與肉眼可見的恆星有關，可能屬於我們的恆星系統內；而像巨大的螺旋星雲，其巨大的徑向速度和微不足道的自行運動，則似乎暗示著它們可能位於我們的系統之外。還有那些行星狀星雲，結構明確，很可能也在我們的銀河系內，但距離遙遠。
然而，除了這些之外，還存在著無數微小、暗弱的星雲。它們在攝影底片上只是模糊的印記，甚至連形狀都不清晰。它們是氣體狀的，還是連續光譜的？是行星狀星雲，還是螺旋星雲？或者，它們是完全不同的一類天體？甚至，它們可能根本不是星雲，而是星團？這些問題，都需要更強大的儀器來解答。
當時的星雲研究，很大程度上依賴視覺觀測，但對於暗弱的星雲來說，視覺觀測的意義十分有限。而攝影，則提供了一種確定且永久的記錄。一個小時的曝光，就有很大機會在已知的星雲列表上增加數個新的小而暗弱的天體。據估計，當時已編目的星雲約有 17,000 個，而現有儀器可觸及的數量，可能高達 150,000 個。這是一個正在迅速增長的領域，充滿了未知。
玥影： 原來如此。所以，攝影在您的研究中扮演了核心角色。您在葉凱士天文台使用 24 英寸反射鏡進行了攝影調查。能談談這個過程以及您遇到的主要技術難題嗎？
哈勃： （手指輕撫著底片，回憶著當年的艱辛）是的，攝影是關鍵。葉凱士的 24 英寸反射鏡是一個重要的工具，但它焦比很大（1:4），這給在遠離底片中心的位置精確測量天體帶來了嚴峻的挑戰。底片覆蓋的區域大約是 110 弧分的方形。但在全口徑下，恆星圖像只有在光學中心 5 弧分範圍內才能保持近似圓形。向外，慧差現象變得越來越嚴重，圖像從橢圓形變形，到邊緣甚至變成了箭頭形。不同尺寸的圖像，其「光學中心」的位置與「幾何中心」的距離會不同，這引入了嚴重的「星等誤差」（magnitude-error），會掩蓋任何場的扭曲。
為了處理這個問題，我們無法僅使用微弱的恆星作為參考，因為曝光時間長，這些星等較亮的參考星圖像會非常大且變形嚴重。我們必須使用天文學會星表中的星作為參考。例如，在底片邊緣，一顆九等星的箭頭形圖像可以長達一弧分。
我們沒有進行 exhaustive 的研究去修正這種星等誤差，這意味著我們必須在限制視野範圍或犧牲位置精度之間做出選擇。我們選擇了後者，接受了位置精度的犧牲。我們透過比較同一區域使用 9 英寸口徑（圖像較圓）和 24 英寸口徑拍攝的底片，經驗性地確定了不同距離中心處圖像的「光學中心」位置。然後，在測量時，根據這個經驗結果來設定測量儀的標線。
即使如此，精確測量和還原遠離底片中心的天體位置依然困難。我們每塊區域至少拍攝兩張底片，並在「閃視比較儀」上比較，只標記在兩張底片上都清晰顯示為星雲的目標。然後在蓋特納測量儀上，測量星雲和星表中的參考星的 X 和 Y 坐標。我們使用特納的方法（Turner’s method）來計算底片常數和修正位置。最終的位置精度，對於靠近中心的天體，大約在每個坐標方向上 2.0 弧秒左右。
玥影： 聽起來這是一個非常依賴經驗和技巧的過程。在克服了這些測量難題後，您研究了七個星雲密集區域的 588 個星雲，其中大部分是新發現的。您在這些星雲中觀察到了哪些顯著的特徵和分布模式？特別是沃爾夫的分類，對您的研究有何幫助？
哈勃： （點點頭，翻閱著表格）沒錯，測量是耗時且充滿挑戰的。我們研究了七個區域，總共測量了 588 個星雲，其中 512 個是未編目的。這些區域的中心坐標和星雲數量列在報告的表格中。
在分類方面，我們使用了馬克斯·沃爾夫（Max Wolf）提出的分類系統。雖然他自己也承認這只是形式上的、可能沒有物理意義的經驗分類，但它提供了一個極好的臨時歸檔框架，直到未來建立更有意義的系統。我們還在 g 和 h 之間插入了一個 g₀ 的分類。
根據沃爾夫的分類，我們最驚人的發現是 e 類和 f 類星雲的極度普遍。這兩種星雲占了總數的絕大多數（284 + 145 = 429 個，占總數的 73%）。e 類描述為圓形或近似圓形，向中心逐漸增亮，缺乏細節；f 類也是類似的描述。它們構成了一個從列表中最亮到底片極限（僅是模糊印記）的連續序列。雖然我們能清晰辨認的螺旋星雲只有 11 個，但紡錘形星雲（spindles）的數量卻意外地多。
這種 e 類和 f 類星雲的普遍性，或許僅僅意味著我們使用的望遠鏡焦距不足以顯示它們的內部結構。但許多這類星雲相當大且亮，而且它們在序列中的漸變似乎是連續的。至少就中等焦距望遠鏡而言，我們目前已知的主要星雲形式，並非螺旋星雲，正是這種缺乏細節、向中心增亮的圓形或近似圓形的 e, f 類星雲。其中最亮的例子可能是梅西爾 60 和 N.G.C. 3379。它們的光譜是連續的，可能與螺旋星雲和球狀星團的光譜類型相似。對這類較亮成員的詳細研究，將為理解小型星雲的性質提供重要線索。
此外，我們再次證實了小型星雲迴避銀河系（avoid the Milky Way）的事實。這對於判斷這些天體是否屬於我們的恆星系統至關重要。通過銀緯 -60° 和 +60° 區域的比較，我們發現在前者區域星雲數量遠少於後者。
最後，小型星雲聚集形成星團的傾向非常明顯。在 Field III 的中心，月球視直徑大小的區域內就聚集了約 75 個星雲。雖然底片的小尺度使得最小直徑的星雲數量難以確定（直徑小於 10 弧秒的星雲很容易被誤認為恆星而忽略），但我們繪製的直徑與頻率分布圖（類似概率曲線）似乎支持了在特定距離處存在實際星雲團的假設。
玥影： e 類和 f 類星雲的普遍性確實引人深思。您提到了它們迴避銀河系的現象，以及它們聚集形成星團的傾向。這是否暗示著這些星雲可能並不全部處於我們銀河系內部？關於星雲的距離，您在論文中進行了一些初步的探索和估計。您是如何嘗試解答這個關鍵問題的？
哈勃： （沉吟片刻，目光投向遠方）星雲的距離問題確實是理解它們性質的關鍵。只有知道了距離，我們才能推斷它們的實際尺寸、質量等屬性。
對於行星狀星雲，儘管它們的自行運動微乎其微，但若假設平均徑向速度約為 40 公里/秒，平均年自行運動下限為 0.02 弧秒，那麼根據這些推測值，對於其中最大（可能也最接近）的行星狀星雲，其平均距離的初步下限約為 2000 光年。考慮到它們在銀河系中的系統性分布，這個距離範圍並不支持將它們完全置於我們的系統之外。
然而，對於螺旋星雲，情況似乎不同。它們的平均徑向速度要大得多，已經觀測到的平均速度約為 400 公里/秒，而自行運動同樣微乎其微。若假設年自行運動為 0.05 弧秒，那麼平均距離的下限約為 7500 光年。如果它們屬於我們的恆星系統，那麼考慮到它們在銀河系次要軸方向上最為密集，我們的系統尺寸必須遠遠超出普遍的設想。
另一種探索維度的方法是利用星雲的旋轉信息。分光鏡已經探測到了一些星雲的旋轉。假設存在一個垂直於視線的軸，質量集中在星雲核，且遙遠的粒子處於均衡旋轉狀態。雖然這些假設可能只是近似，但透過旋轉速度和角半徑，我們可以推導出一些關於質量、週期和平均密度的關係式。
例如，對於一個假設的典型行星狀星雲（直徑 20 弧秒，距離垂直軸 10 弧秒處的旋轉速度為 6 公里/秒），我們可以計算出其在不同距離下的質量、週期和密度量級。逃逸速度大約是 8.4 公里/秒，與距離無關。如果它們溫度稍高，分子會快速逃逸，這暗示它們溫度必須非常低。
對於螺旋星雲，同樣可以建立類似的公式。螺旋星雲的形態（長徑和短徑的比例）也可以大致估計其旋轉軸的傾角。例如，對於一個假設的典型螺旋星雲（直徑 400 弧秒，軸比 0.1，外圍旋轉速度 200 公里/秒），這些數字與觀測到的較亮螺旋星雲平均值相差不遠。我們同樣可以計算出其在不同距離下的質量、週期和密度。
玥影： 利用旋轉來推測物理屬性，這非常巧妙。那麼，這些計算結果，尤其是對於螺旋星雲的計算，為當時關於它們性質的爭論帶來了什麼新的啟示？
哈勃： （眼中閃爍著思考的光芒）正是這些計算，開始為一個大膽的假說提供了一些線索——即螺旋星雲可能不是我們銀河系內的星雲，而是獨立的恆星系統，其距離可能遠達數百萬光年。
回想一下，如果我們將那個典型的螺旋星雲放置在一個足夠遠的距離，使其視直徑與我們的恆星系統相似，那麼根據旋轉數據計算出的質量、週期和密度，其量級竟然與愛丁頓（Eddington）在他的書《恆星運動與宇宙結構》（Stellar Movements and the Structure of the Universe）中描述的我們的銀河系概念處於相同的量級。愛丁頓描述的銀河系是一個圍繞中心扁平星團的環，並假設其處於旋轉平衡。將典型的螺旋星雲放置在數百萬光年遠，其計算出的屬性與銀河系的估計值雖然數據來源有待改進，但這種數量級上的契合，確實為螺旋星雲是遙遠的恆星系統（或者說，星系）的假說增添了一些可能性。
此外，基於螺旋星雲徑向速度計算出的我們的系統相對於螺旋星雲的運動（由 O. H. Truman、R. K. Young 和 W. E. Harper 完成），也為這個假說提供了另一個更強有力的論據。
玥影： 這是一個非常引人注目的結論，甚至可以說具有革命性。但您也提到了主要的反對意見——它們在天空中似乎系統性地迴避銀河系。這如何解釋？您的研究在當時的局限性是什麼？
哈勃： （眉頭微皺，這是這個假說在當時面臨的最大困境）是的，這個「螺旋星雲迴避銀河系」的現象，是當時支持它們屬於我們銀河系內部的最有力的論據。畢竟，我們銀河系內部存在大量塵埃和氣體，如果在銀河系平面方向上存在遙遠的外部系統，它們的光線應該會被這些物質遮蔽，導致我們看不到。但我們觀測到的恰恰相反，螺旋星雲在遠離銀河系平面的區域（如銀極方向）最為密集。
然而，當時已知被確認為螺旋狀的星雲不足 300 個。其中最大的一個正好位於銀河系邊緣。我們觀察到，螺旋星雲似乎與小型暗弱星雲的分布相似，都傾向於聚集在天空中的特定區域，其中一個區域就包括銀河系的北極。這或許不是簡單的迴避，而是更複雜的分布模式。
這也引出了當時研究的局限性。首先，正如之前所述，我們的儀器尺度太小，特別是焦距相對較短的望遠鏡，無法分辨許多星雲的精細結構。我們看到的普遍存在的 e 類和 f 類星雲，它們的性質依然是個謎。它們是否就是未被分辨結構的螺旋星雲？這需要更強大的儀器才能確定。我的這篇論文，雖然記錄了大量數據和初步分析，但其結論遠非定論，只能說為未來的研究指明了方向。當時，對這些暗弱星雲的觀測和測量都處於起步階段，許多問題都有待解決。
玥影： 明白了。您的這項早期工作，雖然充滿技術挑戰並面臨未解的謎團，但已經敏銳地捕捉到了關於星雲分布和性質的關鍵線索，並為後來的突破性發現奠定了基礎。非常感謝您與我們分享您的研究歷程與思考。您的嚴謹治學和探索精神，至今仍啟迪著後人。
哈勃： （微微頷首，目光溫和）這是我的榮幸。宇宙浩瀚，等待著我們去探索的奧秘還有很多。科學的進步，往往是建立在一步步艱辛的觀測、測量與思考之上。每一次微小的發現，都可能為理解宏大的圖景添上一塊重要的拼圖。
光影漸淡，葉凱士天文台的圓頂在晨光中顯露出輪廓。哈勃先生的身影似乎也隨之變得模糊。但那份對未知宇宙的探索熱情，以及他對觀察數據的嚴謹態度，卻透過文字的光芒，留在了我們的意識中。這場跨越時光的對談，在此告一段落。