马萨诸塞州剑桥市 — 在哈佛大学校园里一栋古朴而狭窄的建筑的地下室里，沿着一串足以让过山车设计师头晕的螺旋形楼梯向下，书架和文件柜里堆满了百年星空。从世界各地望远镜运来的玻璃感光板记录了1890年仙后座星团的样子，或是1908年造父变星的样子。这些玻璃感光板——约有525,000张——是我们先辈观测到的星空的唯一永久记录。
但这个重达170吨的数据库所代表的，远不止是天文学历史的档案——它是一个潜在的新发现的金矿，只要科学家们能挖掘出来。本着这个目标，一小群天文学家和档案管理员正在利用定制技术，将这个巨大的数据集带入数字时代。
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当他们在三到四年内完成时，该档案将占用1.5 PB的存储空间。任何有网络接入的天文学家都可以点击星表，查看单个恒星的光变曲线，了解它们是如何随着时间变亮或变暗的。
“我们没有其他形式拥有如此完整的一百年数据，”该项目（正式名称为“哈佛大学天空百年数字接入”）的负责人、哈佛天文学家乔什·格兰德雷（Josh Grindlay）说。“这里有一个真正的宝藏，而我们才刚刚开始探索。”
截至11月1日，研究人员已经扫描了18,812张感光板，占总藏量的百分之三多一点。但它们已经开始结出硕果，正如格兰德雷自己的研究所示。他刚刚向《天体物理学杂志》（Astrophysical Journal）提交了一篇论文，描述了一项重大的潜在发现：Ia型超新星的质量吸积形成。如果你对天文学史感兴趣，这项发现让哈佛的天体摄影遗产几乎完美地画上了一个令人感动完整的句号。1912年，哈佛天文学家亨丽爱塔·斯旺·莱维特（Henrietta Swan Leavitt）利用感光板发现了造父变星，这是宇宙学测量中使用的第一个“标准烛光”。一个世纪后，另一位天文学家利用同样的图像重新发现了第二代宇宙标尺——Ia型超新星，这刚刚促成了一项诺贝尔奖。
“这表明，在一百年的数据中，隐藏着各种令人难以置信的东西，”格兰德雷说。
除了 enabling 新科学，该项目也成为一堂关于现代技术如何保存过去的课程。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集成的最先进的成像技术。
什么是感光板？
要理解哈佛团队的工作，了解一些天体摄影的背景知识很有帮助。在电荷耦合器件（CCD）发明之前（它本身就获得了一项诺贝尔奖），天文学家主要使用玻璃板幻灯片来拍摄天空的照片。这些感光板通常是8x10英寸或14x17英寸，一面涂有对光敏感的银胶乳剂。天文学家使用遮光罩保护乳剂，将玻璃板插入望远镜尾部，暴露在星光下。随后用汞蒸气或其他化学物质显影，然后运回剑桥进行进一步研究。
数字化这些感光板就像扫描照片底片一样——你只需给底片打光并拍照。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。然后，数字化图像将被匹配到星表中，用于提取每张感光板上每颗恒星的光变曲线数据。该设备一次必须扫描一张14x17英寸的感光板，或两张8x10英寸的感光板，它必须具有超高分辨率，必须保持低温和完全静止以防止模糊——而且所有这些都必须能通过几个微小的地下室窗户。
该数字化仪是逐片安装的，它通过线性伺服电机在感光板上移动，并由激光蚀刻标记引导。它放置在一个花岗岩板上，花岗岩板本身由气动腿支撑，以防止上面古老建筑产生的任何振动干扰。LED光源以8微秒的脉冲照亮感光板乳剂，CCD相机为每张8x10英寸的感光板拍摄60张重叠的图像。最终分辨率为每像素11微米，即2,309 dpi——在92秒内完成。换句话说，在一分半钟内，该机器产生的数据量与一张典型的一分半钟电影的DVD所包含的数据量大致相同。
在90秒内，哈佛的感光板扫描仪产生的数据量与一张90分钟DVD所包含的数据量大致相同。
最糟糕的部分是什么？在这个过程开始之前，所有感光板都必须先清洗干净，然后手动加载，这是一项耗时的工作，占用了艾莉森·多恩（Alison Doane）目前大部分的时间。
多恩解释说，这些感光板就像一本活的图书馆，就像一本旧书一样，在过去一个世纪里，它们收到了相当多的注释。天文学家会在玻璃面（不是乳剂面）上写字，以记录他们正在研究的内容。
“经常有手写的注释，指示一颗恒星、亮度、位置，或者圈出某项发现，”她说。“我们必须把所有这些都去除，这是一项大工程。我们并不乐于做这件事，但如果我们不做，我们看到的星星就会比感光板上实际存在的星星多一倍。”记录完潦草的字迹后，她和一小队工作人员及学生用Windex和剃刀片手工将其清除。
在多恩收到一台定制的全自动感光板清洗机后，这一切都会变得更容易。这台清洗机获得了美国国家科学基金会的资助。它的工作原理有点像洗车的底盘，通过传送带将感光板沿传送带移动，玻璃面朝下，乳剂面得到保护。目前的原型采用两种类型的刷子，但多恩表示，她和也负责扫描仪开发的工程师鲍勃·辛科（Bob Simcoe）正在考虑增加一把剃刀。
格兰德雷希望，清洗机和在10月份开始工作的新增一名工作人员，能帮助项目在1月份达到全速。他希望每天扫描200到300张感光板，最终提高到每天400张。按此速度，他们大约四年内就能完成。
数字化哈佛的遗产
感光板收藏，就像哈佛学院天文台本身一样，在天体摄影的历史上占有举足轻重的地位。1850年7月，银版摄影师约翰·亚当斯·惠普尔（John Adams Whipple）使用天文台的红木黄铜巨型折射望远镜，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）致力于拍摄整个天空，收集来自南北半球的照片。学院于1896年将一台24英寸的望远镜运往秘鲁阿雷基帕，随后又部署了南非和其他地方的望远镜。在接下来的三十年里，天文学家们将玻璃板插入望远镜的观察管中，对整个天空进行曝光，然后收集起来运回剑桥。
在那里，它们将被“计算机”（由皮克林招募的擅长数学的女性）检查，她们通过放大镜仔细检查感光板，并通过研究恒星的直径来计算恒星的亮度。莱维特是其中一位更有才华的计算机，她发现了大麦哲伦星系中的造父变星，这对确定天文距离至关重要。没有莱维特的发现，埃德温·哈勃就无法发现宇宙膨胀。
“这是一种非常老式的科学研究方式，”多恩说。“年轻科学家，甚至中年科学家，都不知道如何看感光板。他们没有经过训练的技能，去观察一个点大的东西，发现它的大小发生了很小的变化，从而理解它在变亮。”
现代计算机正在自动完成这项工作，在感光板扫描后计算恒星的亮度。格兰德雷说，他利用这些数据做出了他的Ia型超新星的发现。他注意到一颗14等星（一颗非常暗淡的恒星，比肉眼能看到的最暗的恒星暗几个数量级）迅速变亮到12等（亮两个数量级，但仍然相对暗淡）。格兰德雷说，这种变亮方式很不寻常，在十年间快速增加然后缓慢衰减。天文学家将其与星表进行比对，并确定这是一颗M巨星，一颗红巨星，位于一个双星系统中。那么，为什么会产生如此明亮的闪光呢？格兰德雷解释说，一颗白矮星正在围绕着这颗红巨星运行，从其较大的伴星那里吸积物质。物质的吸积点燃了小恒星表面的热核燃烧。而这恰好是Ia型超新星的诞生方式。
“这是我们天体物理学家多年来一直在寻找的东西，”格兰德雷说。“我们认为我们已经找到了，这得益于一百年的数据，以及一颗恒星的这个惊人行为，它很可能是一种长期以来一直在寻找的，为白矮星增加质量的机制。”
其他天文学家也正在利用这些历史感光板进行不同类型的新科学研究。加拿大维多利亚赫兹伯格天体物理研究所的天文学家伊丽莎白·格里芬（Elizabeth Griffin）一直在研究1905年至1980年代的近紫外负片，以研究臭氧层。她检查光谱线，将星光分解成其组成部分，以便天文学家能够确定恒星的成分。大气层会在负片上留下自己的印记，在某些情况下，它会直接干扰天文测量。例如，臭氧会阻碍对元素铍的研究，而铍可以用来确定恒星的年龄。
“（在几十年里），人们几乎没听说过臭氧。他们认为它是一种可怕的烦扰，”格里芬说。天文学家确定了臭氧层的光谱特征，并学会了如何过滤掉它；现在格里芬正在寻找这个信号，而忽略其余部分，试图确定臭氧层的厚度随时间如何变化。“我确实了解到，臭氧层在夜晚和地点之间变化很大，”她说。“这是对历史数据的一种新颖应用。”
尽管如此，哈佛的收藏规模要大得多，而且是唯一代表天空两个半球的收藏。它将帮助多个领域的天文学家——甚至可能包括使用开普勒太空望远镜的天文学家，对他们来说，光变曲线信息尤其关键。格兰德雷说，所谓的开普勒场，即织女星和天鹅座的北十字星座之间的一个区域，几乎已经扫描完毕。SETI研究所的天体物理学家、利用开普勒数据发现首个绕双星运行行星的劳伦斯·道尔（Laurance Doyle）表示，光变曲线可以教会研究人员很多关于恒星历史的知识。“光变曲线几乎有无穷无尽的应用。仅仅使用光变曲线，你就可以用三种方式检测到绕双星运行的行星，”他说。“时间维度在天文学中一直被低估了。”
谁知道那些玻璃板里还有什么，正等着被发现。
