星係天文學之父哈勃
18世紀中葉，瑞典的斯維登堡、英國的賴特、德國的康德和朗伯提出，我們所見的銀河和恒星構成一個巨大的天體係統，並提出在這個巨大的天體係統之外，在浩瀚的宇宙中還存在著無數這樣的天體係統。18世紀下半葉，英國天文學家威廉·赫歇爾用天文觀測證實了前一點，並將這個巨大的天體係統稱為銀河係。但在銀河係之外是否存在別的類似銀河係的天體係統(河外星係)的問題，在威廉·赫歇爾之後約一個多世紀中始終沒有解決。直到20世紀20年代，美國著名天文學家哈勃才率先解決了這個問題。他還對河外星係進行了形態分類，發現了河外星係退行速度與它離我們的距離之間關係的哈勃定律，探討了河外星係的空間分布……這些成果開創了人們對星係世界的研究，因此他被譽為“星係天文學之父”。
早年生涯
哈勃的全名叫埃德溫·鮑威爾·哈勃，1889年11月20日生於美國密蘇裏州馬什菲爾德。哈勃的祖先在17世紀從英國移居美國，他的父親約翰·鮑威爾·哈勃是一名律師，母親婚前叫維琴尼亞·李·詹姆斯。哈勃在肯塔基度過了他的童年生涯，後來在芝加哥上高級中學，在校時學習和體育運動兩方麵都很出色。高中畢業後他獲得了一項獎學金進入芝加哥大學，1910年畢業於該校天文係，獲理學士學位。他還是該校有名的拳擊運動員，一位體育運動教練想訓練他同當時世界冠軍傑克·約翰遜進行拳擊，培養他成為一代拳王，但他卻在1910年作為羅茲獎學金獲得者來到英國牛津女王學院攻讀法學，1912年修完所有法學課程，獲文學士學位。1913年哈勃回到美國，在肯塔基州路易斯維爾開了一家法律事務所，但翌年便放棄了這個職位來到芝加哥大學葉凱士天文台，成為弗羅斯特的助手和研究生。1917年他完成了“暗弱星雲的照相研究”的學位論文而獲博士學位。
美國最有聲望的天文學家海爾早年曾與哈勃有一段師生情。哈勃剛跨入芝加哥大學校門時，海爾雖已就任威爾遜山天文台台長但卻未完全脫離芝加哥大學和所屬的葉凱士天文台，他培養了年青的哈勃對天文學的興趣。十多年過去了，海爾得知哈勃重返芝加哥大學並出色地完成了天文學博士論文，認為後者很有發展前途，於是以威爾遜山天文台台長的身份邀請後者去該台工作。當時該台152米的反射望遠鏡已投入觀測，舉世無雙的口徑254米的胡克望遠鏡也即將建成。哈勃認為威爾遜山的工作條件極佳，但當時美國參加了第一次世界大戰，他被征入伍。他打電報給海爾說，一旦他複員便接受海爾的邀請去威爾遜山天文台工作。此後哈勃隨美國遠征軍到法國服役，在軍中晉升到陸軍少校軍銜。1918年11月11日停戰日之後，他又隨美國占領軍留駐德國，直到1919年10月才返回美國。
揭開旋渦星雲本質之謎
哈勃一退伍回到美國，即遵前諾赴威爾遜山天文台任職，當時他已達而立之年，始得安心從事日後使之聲望卓著的天文研究工作。此後，除第二次世界大戰期間曾在美國軍隊中參與領導彈道學研究，並在馬裏蘭州阿伯丁試驗場超聲速風洞實驗室擔任領導工作外，哈勃始終在威爾遜山天文台工作。
從1922年起，哈勃將研究的注意力集中到旋渦星雲本質的問題上。這是一個爭論已久的問題。早在18世紀中葉，康德就把呈雲霧狀的星雲看成是我們天體係統(銀河係)之外的別的巨大天體係統。一個世紀後，德國科學家洪堡又把宇宙中一個個這樣的天體係統比喻為大海中的無數小島，稱“宇宙島”。
18世紀末至19世紀末，人們在宇宙島是否存在這一問題上的研究走了許多彎路，遇到許多挫折。康德、洪堡等人推測呈雲霧狀的星雲是宇宙島，但在小望遠鏡中，看去像雲霧狀的星雲的天體有許多複雜的情況：它們有的是銀河係內的星團，僅僅是因為分辨不清才被當成星雲；有的是銀河係內的氣體塵埃雲，這種氣體塵埃雲與宇宙島實際上是毫不相幹的兩回事；當然也的確存在作為宇宙島的星雲(後來稱為河外星雲)。由於這三方麵的混淆和測量手段上的局限，宇宙島的猜測難於得到證實。
20世紀初，人們用照相方法發現了大量旋渦星雲，它們形如旋渦狀，大多數很暗弱，隻有極少數如仙女座大星雲(通過照相發現它是一個半側向對著我們的旋渦星雲)等比較明亮。有人認為，這種旋渦星雲很可能是宇宙島。20世紀10年代末，美國天文學家柯蒂斯用“新星測距法”求得仙女座大星雲的距離為1000萬光年(1光年是指太空中光在1年中所走過的距離，1光年約10萬億千米)。所謂新星測距法是假定仙女座大星雲中的新星與銀河係中的新星光度相當，即認為兩者在單位時間內發出的總光量很相近，隻是由於仙女座大星雲很遠才使其中的新星顯得很暗弱，然後推算出該星雲的距離。這種方法在原理上並不錯，但誤差很大，連柯蒂斯本人在公布此結果後也很快加以更正，將仙女座大星雲的距離從1000萬光年減至50萬光年。柯蒂斯認為銀河係的直徑隻有數萬光年，所以仙女座大星雲遠在銀河係之外，是銀河係之外的別的星係。美國天文學家沙普利認為柯蒂斯的測量不可信，他認為仙女座大星雲不在如此遙遠的距離上，而他卻把銀河係的直徑定得過大，達30萬光年，他認為仙女座大星雲隻是銀河係內的真正的星雲狀天體。他還引證了荷蘭天文學家範瑪南提供的觀測結果，旋渦星雲M101，M33和M81每年以百分之幾角秒的速率自轉，這樣大的角速度意味著這些旋渦星雲不可能太遙遠，其距離僅數千光年而已，由此沙普利推論旋渦星雲都是銀河係內的天體。後來人們發現範瑪南的測量是錯誤的，是把某些係統誤差當成旋渦星雲的自轉了，但當時沙普利卻把它當做自己見解的重要依據。
1920年4月26日，由當時威爾遜山天文台台長海爾發起，在美國國家科學院召開了“宇宙的尺度”辯論會。沙普利和柯蒂斯代表對立的兩方，就銀河係的大小和旋渦星雲的真相展開麵對麵的論戰。這就是天文學史上著名的沙普利—柯蒂斯大辯論。這場辯論當時勝負未分，旋渦星雲究竟是否是銀河係之外的別的星係並未有統一的結論。
1923年，哈勃用威爾遜山天文台的口徑為254米的胡克望遠鏡拍攝仙女座大星雲的照片。由於這架當時世界上最大的望遠鏡的驚人分辨本領，照片上該星雲的外圍已被分解為恒星，在這些恒星中他證認出第一顆造父變星。翌年，他又在該星雲中證認出更多的造父變星，並在三角座星雲M33中也發現了一些造父變星。接著，他用“造父變星測距法”測出了這兩個旋渦星雲的距離。
什麼是造父變星和造父變星測距法呢?造父變星是以仙王座δ為典型星的一類變星。中國古代用傳說中的駕車能手造父來命名仙王座δ和它周圍的幾顆星，其中仙王座δ稱造父一，因此以它為典型星的變星便被稱為造父變星。這類變星是因星體本身的周期性膨脹和收縮而產生光度變化的，它的光度變化有一個重要特點，就是其光變周期和其光度之間存在確定的對應關係，這種對應關係是沙普利在1915年首先建立的。於是，通過測出某造父變星的光變周期，它的光度也就可以定出。某造父變星的光度定出後，再用觀測定出其視星等，就可以定出它的距離。這就猶如在晴空萬裏的夜晚，從海船上遙望海岸邊的一盞航標燈，如果該燈多少燭光已經確定，海船上所見到的它的視亮度就隻依賴於海船離它的距離了，於是有經驗的水手就可以根據他所見到的此航標燈的視亮度估計出海船離海岸有多遠。使用造父變星的這種測量距離的方法稱為造父變星測距法。
20世紀10年代後期，沙普利在銀河係內的許多球狀星團中發現了造父變星。由於球狀星團離我們很遠，它本身的尺度與它離我們的距離相比是可以忽略不計的，因此如果測出了球狀星團中任何一顆造父變星的距離也就測出了該球狀星團離我們的距離。根據這一點，沙普利應用“造父變星測距法”測出了許多已發現造父變星的球狀星團的距離。如果他及時去尋覓旋渦星雲中的造父變星，那麼首先定出旋渦星雲距離的也應該是他。但他卻沒有這樣做，而哈勃卻進行了這至關重要的一步，1924年，哈勃用“造父變星測距法”測量了仙女座大星雲和三角座星雲M33的距離為93萬光年。當時，已知銀河係的直徑在10萬光年左右，這意味著這兩個旋渦星雲遠在銀河係之外，是與銀河係相當的獨立的星係。哈勃將這一研究成果寫成了論文。
1925年元旦，美國天文學會和美國科學促進學會在華盛頓聯合召開了學術會議，哈勃並未到會，但他的上述論文被帶到會上得以宣讀。這篇論文一經宣讀，在座的許多天文學家都已明白，關於旋渦星雲本質的大辯論已告結束，宇宙島的推測已獲證實。當時，幾年前進行此項大辯論的代表人物沙普利和柯蒂斯都在場。哈勃的論文分享了美國科學促進學會為這次學術會議設立的最佳論文獎。同年，該論文以“旋渦星雲中的造父變星”為題發表在《美國天文學會會刊》上。