20世紀天體物理學的開拓者海爾
19世紀中葉以後，人們已不再局限於測定、研究天體的視位置和視運動(天體測量學)，也不再局限於研究天體的力學運動(天體力學)了，而是發展到研究天體的形態、結構、化學組成、物理狀態和演化規律，這便是天文學中的一個新分支——天體物理學。進入20世紀以後，天體物理學從繈褓時期進入蓬勃發展的時期，逐漸成為天文學中占主導地位的分支。在這一過程中，美國天文學家海爾成為舉足輕重的人物，被譽為20世紀天體物理學的開拓者。
太陽單色光照相儀的發明
1868年6月29日，海爾出生於美國伊利諾伊州芝加哥，他的全名是喬治·埃勒裏·海爾。其父是電梯製造商，產品遠銷美國各地甚至歐洲，並因此而致富。這位富商具有精湛的工藝，並十分愛好科學。海爾的母親則十分愛好文學和詩歌。幼年的海爾深受雙親的熏陶，他既喜歡自己動手進行各種小實驗，又喜歡博覽群書。少年時期，海爾曾就讀於奧爾蘭公學，畢業後考入艾倫學院。1886年，18歲的海爾考入馬薩諸塞州理工學院，主修物理學，同時他努力自學天文學，還自願到哈佛大學天文台充當業餘天文觀測手。在這過程中，他對天文學的興趣與日俱增，決心為之貢獻出畢生的精力。
1890年，海爾畢業於馬薩諸塞理工學院。畢業後不久，他便與康克林小姐結了婚，在蜜月旅行中他們訪問了利克天文台。返回芝加哥之後，他得到父親的資助，在自己住宅的頂層建起了一座私人天文台——肯伍德天文台。在這所天文台中有他自己動手設計建造的太陽光譜儀。
在肯伍德天文台，海爾還作出了他一生中的第一個重要發明。早在馬薩諸塞州理工學院求學期間，他就開始考慮怎樣用單色光來拍攝天體的照片，這對於恒星來說很難行得通：因為一方麵恒星太暗弱，若將星光展成光譜後，僅僅截取該光譜中某波長附近的單色光很難拍到成功的恒星單色光照片；另一方麵恒星是一個點光源，使用望遠鏡也無法顯示出它的視圓麵，因此即使獲得了它的單色光照片也無法顯示出它的表麵細節。但對太陽而言，情況就完全不同了。太陽發出的光很強，即使使用某波長附近的單色光就足以使底片很快感光，況且太陽又是一個延伸天體。海爾想到若獲得了太陽某種單色光的照片，也許可以取得許多太陽白光照片所無法顯示出的新信息。
經過數年的深思，海爾終於在1891年發明了一種依靠太陽像和底片同步掃描來獲得太陽單色像的裝置——太陽單色光照相儀。
海爾所發明的太陽單色光照相儀在此後近四十年中成為對太陽進行觀測研究的重要武器。太陽白光照相隻能把太陽光球上黑子等現象拍攝下來，但對太陽光球上的色球層中的太陽活動現象卻無能為力。然而使用太陽單色光照相儀卻可獲得Hα(氫的第一條巴耳末線，其波長為6563埃，1埃＝10-8厘米)等譜線處的太陽單色光照片，由於該波長處的輻射主要是由太陽色球層發出的，所以這種太陽單色光照片實際上是太陽色球層的像。在這種照片上，太陽耀斑(太陽色球上層的劇烈爆發)、日珥(突出於太陽邊緣的拋射物)等現象清晰可見。直到20世紀30年代，法國天文學家李奧將他發明的偏振幹涉濾光器裝在望遠鏡終端，構成了專用於觀測太陽色球的色球望遠鏡，它能更直接、更迅速地獲得太陽的單色像，海爾的太陽單色光照相儀才逐漸退出曆史舞台。
籌建葉凱士天文台
1892年，海爾受聘任芝加哥大學天體物理學副教授。他很想為該校建立一座擁有舉世矚目大望遠鏡的天文台。在這之前，他與夫人蜜月旅行時曾見過利克天文台的口徑91厘米的折射望遠鏡，它是美國光學家克拉克父子在1888年完成的傑作。這架當時世界上最大的折射望遠鏡給海爾留下了極深刻的印象。
利克天文台這架口徑91厘米的折射望遠鏡落成前幾個月，老克拉克不幸謝世，小克拉克決心繼承父親的遺誌，研製口徑更大的折射望遠鏡。不久，南加利福尼亞大學提出了一個雄心勃勃的計劃，他們想請小克拉克研製一台口徑102厘米的折射望遠鏡。但當小克拉克為此計劃買來了磨製消色差物鏡的冕牌玻璃和火石玻璃兩種鏡坯之後，這所大學因無法籌齊研製望遠鏡的經費而使該計劃擱淺。海爾得悉這件事後，決心出麵扭轉這一尷尬局麵，他瞄準了一位獵取對象——芝加哥首屈一指的巨富金融家葉凱士，他以高超的技巧一次次向後者遊說，使後者一再增加捐款，最後後者發現自己已為該望遠鏡以及安裝它的天文台投入了349000美元。
有了這筆巨款，海爾一麵代表芝加哥大學向小克拉克訂購口徑102厘米的折射望遠鏡，一麵又為安裝此望遠鏡選擇合適的天文台台址。小克拉克全力以赴地開始了研製工作，他根據精密的設計用冕牌玻璃鏡坯磨製成凸透鏡，又用火石玻璃鏡坯磨製成凹透鏡，兩透鏡組合以後成了焦距約18米的像質極佳的消色差物鏡。與此同時他又研製出精密的望遠鏡機械組件。組裝後這架望遠鏡總重量達18噸，但是它極為平衡，用很微小的力就可以使之指向天空的任何方位，它還能十分精確地跟蹤天體的周日視運動。為安裝這架望遠鏡，海爾在威斯康星州的日內瓦湖邊選定了一個台址，它離芝加哥約130千米，海拔73米，觀測條件相當優越。這座隸屬於芝加哥大學的新天文台用捐款人的姓氏命名，稱葉凱士天文台。
1897年5月21日，口徑102厘米的折射望遠鏡在葉凱士天文台首次啟用，小克拉克在這之後三周謝世。該望遠鏡至今還是世界上口徑最大的折射望遠鏡。
“太陽物理學之父”
1895年，海爾擔任葉凱士天文台首任台長。1897年，他又被聘為芝加哥大學天體物理學教授。進入20世紀之後，海爾又開始規劃籌建一座不隸屬於任何大學的獨立的一流天文台。在加利福尼亞州帕薩迪納東北方48千米處有一座海拔1800米的威爾遜山，經考察那裏是進行天文觀測的極佳地點，海爾便籌劃在此建一座新天文台——威爾遜山天文台。經過他多方奔走，這一規劃獲得了卡內基基金會的一大筆資助。於是他一麵留任葉凱士天文台台長(直至1905年)，一麵又開始了威爾遜山天文台的籌建工作，並在1904～1923年任該台台長。
威爾遜山天文台率先開展的一項工作是對太陽的觀測研究。為了細致地研究太陽光譜，就必須有色散度很高的太陽光譜儀，它體積龐大，又很沉重，無法直接掛在望遠鏡的終端，因此最好的辦法是將它固定在實驗室中。那麼怎樣才能保證太陽橫空而過時，其光束始終不變地射向該光譜儀呢?海爾采用了一種“定天鏡”係統，它由兩塊平麵鏡組成，憑藉其相對位置的變化和不斷地繞軸轉動，可使得太陽光束始終沿水平方向投向某個固定方位，然後在那裏安裝高色散的太陽光譜儀進行觀測。這種儀器被稱為“水平式太陽望遠鏡”。根據這一構想，威爾遜山天文台建成了第一架這樣的望遠鏡，但它未及使用就被一場大火所焚毀。這時海倫·斯諾小姐慷慨捐款10000美元，建成了第二台水平式太陽望遠鏡，它又被命名為“斯諾望遠鏡”。1904年，海爾用它拍攝到第一張黑子光譜片。通過對黑子光譜的分析，他獲得了黑子溫度低於日麵其他區域溫度的結論。海爾還發現，由於陽光照射下地麵上升氣流的湍動，水平式太陽望遠鏡的成像質量往往不理想，於是他又構想出一種新方案，讓定天鏡反射出來的太陽光束不是在水平方向保持恒定，而是垂直地從上到下保持恒定，同時還用一座空心圓塔將這條太陽光束保護起來，使它與塔外地麵上的上升熱氣流相隔離，然後在塔的底部裝上一塊平麵鏡把射來的太陽光束反射到太陽光譜儀等設備上。這種裝置被稱為塔式太陽望遠鏡，簡稱太陽塔，其成像質量遠比水平式太陽望遠鏡好得多。1908年，海爾建成了高約18米的太陽塔，憑藉它所獲得的高質量、高色散的太陽光譜，他發現太陽黑子區有些譜線竟是雙重甚至三重的。這是什麼原因造成的呢?他想起了荷蘭物理學家塞曼的重要發現。1896年塞曼指出，在強磁場中的光源發出的譜線會發生分裂，如果視線方向和磁力線方向平行，譜線就分裂為二，兩子線分別離開譜線中心位置，各自向紅端與紫端位移；如果視線方向和磁力線方向垂直，譜線就分裂為三，除上麵兩條子線外還會在該譜線的原來位置上存在一條子線。塞曼還指出，磁場強度越大時分立子線間的間距也越大，這一重要發現後來被定名為塞曼效應。通過仔細的研究，海爾發現太陽黑子譜線的分裂現象正是由於黑子具有強磁場而引起的，他還據此推算出黑子的磁場高達十分之幾特斯拉(1特斯拉等於10000高斯)。