麻薩諸塞州劍橋—在哈佛大學校園內一棟古樸狹小的建築地下室裡，沿著一段足以讓過山車設計師頭暈目眩的螺旋樓梯向下，書架和文件櫃裡堆滿了百年來的星空影像。來自世界各地望遠鏡的玻璃底片記錄著1890年蜂巢星團的景象，以及1908年造父變星的形態。這些玻璃底片——約52.5萬張——是記錄我們先輩所見星空的唯一永久文獻。
但這個重達170噸的資料庫遠不止是天文歷史的檔案庫──它更是一座蘊藏著新發現的金礦，只要科學家能深入挖掘。為了實現這一目標，一小群天文學家和檔案管理員正在利用客製化技術，將這個龐大的資料集帶入數位時代。
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三、四年後，當這個星表建成時，它將佔用1.5PB的儲存空間。任何能上網的天文學家都可以點擊星表，調出某顆恆星的光變曲線，看看它隨時間的亮度變化。
「我們沒有任何其他形式的百年數據能像這樣完整，」哈佛大學天文學家喬什·格林德利說道，他領導著這個項目，正式名稱為「哈佛百年星空數字訪問計劃」。 “這裡蘊藏著真正的寶藏，而我們目前只是觸及了冰山一角。”
截至11月1日，研究人員已掃描了18,812張底片，僅佔館藏總量的3%多一點。但正如格林德利的研究所示，他們的努力已經初見成效。他剛剛向《天文物理學雜誌》提交了一篇論文，描述了一項可能意義重大的發現：Ia型超新星的物質吸積形成。如果你對天文史感興趣，這項發現幾乎完美地為哈佛大學的天體攝影遺產畫上了一個圓滿的句號。 1912年，哈佛大學天文學家亨麗埃塔·斯旺·勒維特利用照相底片發現了造父變星，這是宇宙學測量中使用的第一批「標準燭光」。一個世紀後，另一位天文學家利用同樣的圖像重新發現了第二代宇宙測量標尺——Ia型超新星，這項發現也為她贏得了諾貝爾獎。
格林德利說：“這表明，在100年的數據中，隱藏著各種各樣不可思議的東西。”
該計畫不僅推動了新的科學研究，也展現了現代科技如何保護歷史。掃描人類最古老的星空照片需要哈佛大學的博士後和工程師所能組裝的最先進的影像技術。
什麼是照相底片？
要理解哈佛團隊的研究工作，了解一些天體攝影背景知識會很有幫助。在電荷耦合元件（CCD，它本身也獲得了諾貝爾獎）發明之前，天文學家主要使用平板玻璃片來拍攝星空照片。這些玻璃片通常為8×10英寸或14×17英寸，單面塗有感光銀凝膠乳劑。天文學家會用隱形斗篷保護乳劑，然後將玻璃片插入望遠鏡尾部的尾管，使其暴露在星光下。曝光後，照片會用汞蒸氣或其他化學物質進行顯影，然後運回劍橋進行進一步研究。
將這些底片數位化與掃描照片底片非常相似——只需照亮底片並拍攝即可。早在2005年，波士頓業餘望遠鏡製造者協會的一些工程師和志工就設計了一款高速掃描器來完成這項工作。數位化影像隨後會與星表進行匹配，並用於提取每張底片上每顆恆星的光變曲線資料。該設備必須一次掃描一張14×17英寸的底片或兩張8×10英寸的底片，它必須具有超高分辨率，必須保持低溫和完全靜止以防止圖像模糊——哦，對了，它還得能裝進地下室的幾扇小窗戶裡。
這台數位化儀是分階段安裝的，它利用線性伺服馬達在底片上移動，並由雷射蝕刻的標記引導。它放置在一塊花崗岩板上，這塊花崗岩板本身由氣動支架保護，以防止上方古老建築的振動幹擾。 LED光源以8微秒的脈衝照射底片乳劑，CCD相機為每張8×10吋的底片拍攝60張重疊影像。最終解析度為每像素11微米，即2309 dpi——擷取時間為92秒。換句話說，這台機器在一分半鐘內產生的資料量，大約相當於一張DVD中包含的一部典型一個半小時電影的資料量。
哈佛大學的平板掃描器在 90 秒內產生的資料量，與一張 90 分鐘 DVD 中包含的資料量大致相同。
最糟糕的是什麼？在這個過程開始之前，所有的盤子都必須先清洗乾淨，然後手動裝盤，這是一項費力的工作，佔據了艾莉森·多恩最近的大部分時間。
這些底片就像一座活的圖書館，就像一本古書一樣，在過去的一個世紀裡，它們被記錄了無數的註釋。杜安解釋說，天文學家會在玻璃面（而不是乳劑面）上寫字，記錄他們正在進行的研究。
「星圖上經常會有手寫的標記，標明星星的名稱、亮度、位置，或圈出某個發現，」她說。 「我們必須把這些都清除掉，這是一項浩大的工程。我們並不喜歡做這件事，但如果不做，我們看到的星星數量就會是實際星圖上星星數量的兩倍。」記錄完這些塗鴉後，她和一小群工作人員及學生會用玻璃清潔劑和剃須刀片手工清除它們。
多恩收到一台客製化的自動洗版機後，一切都會變得容易得多。這台洗版機由美國國家科學基金會資助建造，其工作原理類似於洗車機的底盤，驅動印版沿著傳送帶移動，玻璃面朝下，從而保護乳劑層。目前的樣機使用了兩種刷子，但多恩表示，她和負責掃描儀開發的鮑勃·西姆科（Bob Simcoe）正在考慮增加一個剃刀。
格林德利希望這台清洗機以及十月份新加入的一名員工能夠幫助該計畫在明年一月全面投入營運。他希望每天能掃描200到300個車牌，最終目標是每天400個。照這個速度，大約四年就能完成。
將哈佛大學的寶貴遺產數位化
這批底片收藏，如同哈佛大學天文臺本身一樣，在天文攝影史上佔有舉足輕重的地位。 1850年7月，銀版攝影師約翰·亞當斯·惠普爾（John Adams Whipple）使用天文台的紅木黃銅大折射望遠鏡，拍攝了有史以來第一張恆星照片——織女星。到了19世紀80年代末，天文台台長愛德華·查爾斯·皮克林（Edward Charles Pickering）致力於拍攝整個天空，收集了南北半球的照片。 1896年，哈佛大學將一台24吋的望遠鏡運往秘魯阿雷基帕，隨後又在南非和其他地區安裝瞭望遠鏡。在接下來的三十年裡，天文學家將玻璃底片放入望遠鏡的觀測筒中，拍攝整個天空的照片，然後將這些照片收集起來運回劍橋。
在那裡，這些照片將由“計算機”進行分析。這些「計算機」是皮克林招募的女性，她們精通數學，透過放大鏡仔細觀察底片，並根據恆星的直徑計算其亮度。勒維特是其中一位相當有天賦的“計算機”，她在大麥哲倫星雲中發現了造父變星，這對於確定天文距離至關重要。如果沒有勒維特的發現，埃德溫·哈伯就無法發現宇宙正在膨脹。
「這是一種非常老舊的科學研究方法，」多恩說。 「年輕的科學家，甚至中年科學家，都不知道如何觀察這些底片。他們沒有掌握觀察一個點大小的物體，並分辨出它尺寸的微小變化，從而理解它是否變得更亮了的技能。”
現代電腦能夠自動完成這項工作，在掃描底片後計算恆星的星等。格林德利說，他正是利用這些數據發現了Ia型超新星。他注意到一顆14等星（一顆非常暗的恆星，比肉眼可見的最暗恆星還要暗幾個數量級），這顆星迅速變亮至12等星（亮度提高了兩個數量級，但仍然相對較暗）。格林德利說，這種變亮過程很不尋常，亮度迅速增加，並在十年內緩慢衰減。天文學家將其與星表進行比對，確定這是一顆M型巨星，一顆位於雙星系統中的大型紅巨星。那麼，為什麼它會產生如此明亮的閃光呢？格林德利解釋說，一顆白矮星圍繞著這顆紅巨星運行，並從其較大的伴星吸積物質。這種物質吸積在較小恆星的表面引發了熱核燃燒。而這正是Ia型超新星誕生的方式。
格林德利說：“這是我們天文物理學家多年來一直在尋找的東西。我們認為，得益於100年的數據，以及一顆恆星的這種驚人行為，我們發現了一種極有可能是人們長期以來一直在尋找的白矮星質量增加機制。”
其他天文學家則利用舊照片進行其他類型的新科學研究。加拿大維多利亞赫茲伯格天文物理研究所的天文學家伊莉莎白‧格里芬一直在整理1905年至1980年代的近紫外線底片，以研究臭氧層。她研究光譜線，光譜線將星光分解成其組成部分，天文學家可以透過光譜線確定恆星的成分。大氣層會在底片上留下獨特的印記，在某些情況下，它也會直接幹擾天文測量。例如，臭氧會阻礙鈹元素的探測，而鈹元素的探測可以用來確定恆星的年齡。
「幾十年來，人們幾乎沒聽說過臭氧。他們認為臭氧是一種可怕的污染物，」格里芬說。天文學家確定了臭氧層的光譜特徵，並學會如何將其濾除；現在，格里芬正在尋找這種訊號，並忽略其他幹擾，試圖確定臭氧層厚度隨時間的變化。 「我發現臭氧的含量在不同夜晚和不同地點之間變化很大，」她說。 “這是對歷史數據的一種全新應用。”
不過，哈佛大學的星表規模更大，也是唯一涵蓋南北半球的星表。它將對多個領域的天文學家有所幫助——或許甚至對使用開普勒太空望遠鏡的天文學家也有幫助，因為對他們來說，光變曲線資訊尤其重要。格林德利表示，所謂的開普勒視野（位於織女星和天鵝座北十字星之間的區域）的掃描工作已接近尾聲。 SETI研究所的天文物理學家勞倫斯‧多伊爾曾利用克卜勒資料發現了第一顆環雙星行星，他表示，光變曲線可以幫助研究人員了解恆星的歷史。 「利用光變曲線可以做的事情幾乎無窮無盡。僅憑光變曲線，你就可以透過三種方式探測到環雙星行星，」他說。 「天文學對時間領域的探索還遠遠不夠。」
誰知道那些投影片裡還有什麼，等著人們去發現。
