通过扫描仪暗暗记录百年夜空

马萨诸塞州剑桥——在哈佛大学校园内一栋古雅而狭窄的建筑地下室里，沿着一段连过山车设计师都会头晕目眩的螺旋楼梯往下走，架子和文件柜里堆满了 100 年来拍摄的星空。从世界各地的望远镜运来的玻璃底片记录了 1890 年蜂巢星团的景象，以及 1908 年造父变星的景象。这些玻璃底片（约 525,000 张）是我们祖先所见天空的唯一永久记录。

但这个重达 170 吨的数据库所代表的意义远不止是天文学历史档案——只要科学家能够挖掘它，它就是一座潜在的新发现金矿。为了实现这一目标，一小群天文学家和档案管理员正在使用定制技术将这个庞大的数据集带入数字时代。

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当它们在三到四年内完成时，档案将占用 1.5 PB 的存储空间。任何有网络访问权限的天文学家都可以点击星表并调出单个恒星的光变曲线，显示它随着时间的推移如何变亮或变暗。

“我们没有任何其他形式的 100 年数据能像这个一样完整，”负责该项目的哈佛天文学家乔希·格林德雷 (Josh Grindlay) 说道，该项目正式名称为“哈佛百年数字通道”。 “这里有一个真正的宝库，而我们才刚刚开始探索。”

截至 11 月 1 日，研究人员已扫描了 18,812 张底片，占全部照片的 3% 多一点。但他们已初见成效，格林德利自己的研究显示如此。他刚刚向《天体物理学杂志》提交了一篇论文，描述了一项潜在的重大发现：Ia 型超新星的质量吸积形成。如果你对天文史感兴趣，这一发现将哈佛大学的天文摄影遗产带入了一个几乎感人的完整循环。1912 年，哈佛大学天文学家亨丽埃塔·斯旺·勒维特利用照相底片发现了造父变星，这是第一颗用于宇宙测量的“标准烛光”。一个世纪后，另一位天文学家使用相同的图像重新发现了第二代宇宙标准——Ia 型超新星，并因此获得了诺贝尔奖。

格林德利说：“这表明，100 年的数据中隐藏着各种令人难以置信的东西。”

该项目不仅推动了新科学的发展，还让人们了解到现代技术如何保存历史。扫描人类最古老的天空照片需要哈佛博士后和工程师们能够组装的最先进的成像技术。

什么是照相底片？

要了解哈佛团队的工作，了解一些天文摄影背景会有所帮助。在电荷耦合器件（它本身也获得了诺贝尔奖）发明之前，天文学家大多使用平板玻璃片拍摄天空照片。这些平板通常为 8×10 英寸或 14×17 英寸，一面涂有感光银凝胶乳剂。天文学家使用斗篷保护乳剂，将玻璃片滑入望远镜末端的尾管中，并将其暴露在星光下。曝光的照片随后用水银蒸气或其他化学物质显影，然后运回剑桥进行进一步研究。

将这些底片数字化很像扫描照片底片——只需照亮底片并拍照即可。早在 2005 年，波士顿业余望远镜制造商的一些工程师和志愿者就设计了一台高速扫描仪来完成这项工作。数字化后的图像将与星表相匹配，并用于提取每张底片上每颗恒星的光变曲线数据。该设备必须一次扫描一张 14×17 英寸的底片或两张 8×10 英寸的底片，必须具有超高分辨率，必须保持凉爽和完全静止以防止模糊——哦，所有这些都必须穿过几扇小小的地下室窗户。

数字化仪是逐件安装的，它通过线性伺服电机在板上移动，并由激光蚀刻标记引导。它位于一块花岗岩板上，花岗岩板本身由气动支腿保护，以防止来自上方古建筑的任何振动干扰。LED 光源以 8 微秒的脉冲照亮板乳剂，CCD 相机为每个 8×10 板捕捉 60 个重叠图像。最终分辨率为每像素 11 微米，即 2,309 dpi — 捕捉时间为 92 秒。换句话说，在一分半钟内，这台机器生成的数据量与 DVD 上包含的一部典型一个半小时电影的数据量大致相同。
在 90 秒内，哈佛的平板扫描仪生成的数据量与一张 90 分钟的 DVD 所包含的数据量大致相同。
最糟糕的是什么？在这个过程开始之前，必须先将所有的底片清洗干净，然后手动装入，这是一项艰苦的任务，占据了艾莉森·多恩现在的大部分时间。

这些底片就像是一个活的图书馆，就像一本古书，在过去的一个世纪里，它们得到了相当多的注解。多恩解释说，天文学家会在玻璃面（而不是乳剂面）上写字，记录他们正在研究的内容。

“经常会有手写符号，标明一颗星星、一种亮度、一个位置，或者圈出一个发现，”她说。“我们必须把这些都去掉，这是一项艰巨的任务。这不是我们喜欢做的事情，但如果我们不这样做，我们将会看到比实际数量多一倍的星星。”记录下这些涂鸦后，她和一小群工作人员和学生用 Windex 和剃须刀片手工将它们去除。

在 Doane 收到一台定制的自动洗版机后，这一切都会变得容易起来。该洗版机由美国国家科学基金会资助制造。它的工作原理有点像洗车底盘，将印版沿着传送带移动，玻璃面朝下，保护感光乳剂。目前的原型机使用两种刷子，但 Doane 表示，她和负责扫描仪开发的设计师 Bob Simcoe 正在考虑添加剃刀。

格林德雷希望这台清洗机和一名 10 月份开始工作的新增工作人员能够帮助该项目在明年 1 月份全面启动。他希望每天扫描 200 到 300 张车牌，最终达到每天 400 张。按照这个速度，他们将在大约四年内完成。

数字化哈佛的遗产

和哈佛大学天文台一样，这些底片收藏在天文摄影史上也占有重要地位。1850 年 7 月，银版摄影师约翰·亚当斯·惠普尔 (John Adams Whipple) 使用天文台的红木和黄铜大折射镜拍摄了第一张恒星织女星的照片。到 19 世纪 80 年代末，天文台台长爱德华·查尔斯·皮克林 (Edward Charles Pickering) 已开始尝试拍摄整个天空，收集了来自北半球和南半球的照片。1896 年，哈佛大学将一台 24 英寸望远镜运往秘鲁阿雷基帕，随后又将望远镜运往南非和其他地方。在接下来的三十年里，天文学家将玻璃底片放入望远镜的观测管中，对整个天空进行曝光，然后收集起来并运回剑桥。

在那里，这些照片将接受“计算机”的检查。这些计算机是皮克林招募的数学好的女性，她们通过放大镜仔细检查照片，并通过研究恒星的直径来计算恒星的亮度。莱维特是其中一位才华横溢的计算机，他发现了大麦哲伦星云中的造父变星，这对确定天文距离至关重要。如果没有莱维特的发现，埃德温·哈勃就不可能发现正在膨胀的宇宙。

“这是做科学研究的一种非常过时的方法，”多恩说。“年轻的科学家，甚至是中年科学家，都不知道如何观察这些底片。他们没有成熟的技能来观察一个点大小的东西，看到它的尺寸发生了很小的变化，从而明白它变亮了。”

现代计算机可以自动完成这项工作，在扫描照片后计算恒星星等。格林德雷说，他利用这些数据发现了 Ia 型恒星。他注意到一颗 14 等恒星（非常暗淡的恒星，比肉眼能看到的最暗的恒星暗几个数量级）迅速增亮到 12 等（亮两个数量级，但仍然相对较暗）。格林德雷说，这种增亮方式不寻常，在十年的时间里迅速增加，然后缓慢衰减。天文学家根据星表对其进行了检查，确定它是一颗 M 型巨星，即双星系统中的一颗大红星。那么它为什么会产生这种明亮的闪光？格林德雷解释说，一颗白矮星正在围绕红巨星运行，从其较大的伴星上吸积质量。质量吸积点燃了较小恒星表面的热核燃烧。而这正是 Ia 型超新星诞生的方式。

“这是我们天体物理学家多年来一直在寻找的东西，”格林德雷说。“我们认为，得益于 100 年的数据，以及一颗恒星的惊人发现，我们很可能找到了人们长期寻找的增加白矮星质量的机制。”

其他天文学家正在利用遗产底片进行不同类型的新科学研究。加拿大维多利亚赫茨伯格天体物理研究所的天文学家伊丽莎白·格里芬一直在翻看 1905 年至 1980 年代的近紫外底片，以研究臭氧层。她研究了光谱线，其中星光被分解成其组成部分，以便天文学家可以确定恒星的成分。大气层在底片上留下了自己的印记，在某些情况下，它会直接干扰天文测量。例如，臭氧会妨碍铍元素，而铍元素可以通过研究来确定恒星的年龄。

“几十年来，人们几乎从未听说过臭氧。他们认为这是一个可怕的麻烦，”格里芬说。天文学家确定了臭氧层的光谱特征，并学会了如何过滤它；现在格里芬正在寻找那个信号，而忽略其他信号，试图确定臭氧层厚度随时间的变化。“我确实了解到，臭氧在不同夜晚和不同地方变化很大，”她说。“这是遗产数据的一个新应用。”

尽管如此，哈佛大学的藏品规模更大，而且是唯一一个代表天空两个半球的藏品。它将为多个领域的天文学家提供帮助——甚至可能帮助使用开普勒太空望远镜的天文学家，对他们来说，光变曲线信息尤为重要。格林德雷表示，所谓的开普勒场，即织女星和天鹅座北十字之间的区域，几乎已经扫描完毕。SETI 研究所的天体物理学家劳伦斯·道尔利用开普勒数据发现了第一颗环双星行星，他说光变曲线可以让研究人员了解很多有关恒星历史的知识。“光变曲线能做的事情几乎是无穷无尽的。仅使用光变曲线，你就可以通过三种方式探测环双星行星，”他说。“时间领域在天文学中尚未得到充分探索。”

谁知道这些幻灯片中还有什么等待被发现。