天空立法者——开普勒

作者|吴霞辉

审核|周玖

编辑|高天可

之前小星介绍了目视观测的集大成者——伟大的丹麦天文学家第谷·布拉赫,今天就来讲一下第谷的学生——开普勒的故事。

约翰尼斯·开普勒(图片来源于维基百科)

1571年,开普勒在符腾堡的威尔德斯达特镇出生,就读于杜宾根大学,曾在奥地利格拉茨的一家神学院任教。在此期间开普勒优秀的数学才能和创造思维被第谷所看中,后来便成了第谷的助手。值得一提的是,在开普勒6岁时,他看到的1577年大彗星引起了全欧洲天文学家的注意。

1577年大彗星引起了欧洲天文学家的注意(图片来源于苏黎世中心图书馆)

1604年10月,开普勒在巨蛇座附近发现了一颗“新星”(现在知道其实是银河系内的一颗超新星,编号SN 1604)。他虽视力不佳,仍持续对其观测了十几个月,因此这颗超新星现在也称为开普勒超新星。这是目前有记录的最后一颗银河系超新星,在我国古籍中亦有较为详细的记载:“万历三十二年九月乙丑,夜,西南方生异星,大如弹,体赤黄色,名曰客星。十二月辛酉,夜,客星随天转见东南方,大如弹片,黄色,光芒微小,在尾宿。三十三年八月丁卯夜,客星不见。自三十二年九月客星见尾分,一更时出西南方,随天西转。至十月夕伏不见。十一月五更时出东南方。今年二月,其光渐暗,至是乃灭”(《明实录》)。

开普勒超新星在蛇夫座的脚下,以N标记(图片来源于维基百科)

开普勒把他对SN 1604的观测结果发表在1607年出版的《巨蛇座底部的新星》(De Stella Nova in Pede Serpentarii)一书中。这一年他还看到了一颗大彗星,即后来定名的哈雷彗星。

开普勒超新星遗迹(图片来源于NASA)

作为第谷的接班人,开普勒认真地研究了第谷多年对行星进行仔细观察所做的大量记录,认为通过对第谷的记录可以确定哪个行星运动学说是正确的:古老的托勒密地心说,新兴的哥白尼日心说还是第谷本人独特的学说。但是经过多年煞费苦心的数学计算,开普勒发现第谷的观察与这三种学说都不符合。最终开普勒认识到了所存在的问题:他与第谷、哥白尼以及所有的经典天文学家一样,都假定行星轨道是圆形的。但是实际上行星轨道不是圆形而是椭圆形。

经过研究和精确计算,开普勒总结出了开普勒三定律:

开普勒第一定律,也称轨道定律、椭圆定律:每个行星都沿各自的椭圆轨道绕太阳运行,太阳处于椭圆的一个焦点上;

开普勒第二定律,也称面积定律:在相等时间内,行星的向径(也就是太阳和行星的连线)扫过的面积都是相等的;

开普勒第三定律,也称调和定律、周期定律:行星绕太阳公转周期的平方和它们椭圆轨道的半长轴的立方成正比。

开普勒三定律示意图(图片来源于Hankwang)

除了在天文的杰出贡献外,开普勒在其他方面也做出了巨大贡献:例如1603年发表了《天文学的光学需知》,描述了平面镜与曲面镜的反射、针孔相机的原理以及他对人眼视网膜的研究;开普勒还在此书中引入了数学实体连续变化的概念,对投影几何学做了研究……

《天文学的光学需知》中的插图展示了眼睛结构(图片来源于剑桥大学)

为了纪念开普勒的伟大贡献,美国东部时间2009年3月6日22时50分,世界首个用于探测太阳系外行星的卫星——开普勒空间望远镜在美国卡纳维拉尔角空军基地发射升空。2018年10月30日,NASA正式宣布开普勒探测器燃料耗尽,任务结束。截止2018年,已确认的约3800颗系外行星中有2662颗是由开普勒空间望远镜发现的。

开普勒空间望远镜的成就(图片来源于NASA)

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