散落的暗星

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通向宇宙的钥匙 | 无论对于业余还是专业天文学家来说,宏伟的仙女星系(M31)都是很熟悉的。沃尔特·巴德坚持寻找仙女星系及其伴星系M32(主星系核心左侧)和M110(右下)中心的恒星,最终改写了宇宙的真实大小与年龄。


间回到1952年9月,沃尔特·巴德正在意大利罗马举行的国际天文学联合会大会上介绍他的成果。这项结果早在六年前便已发表,不过现在他即将阐述其对于宇宙大小与年龄的影响,这将会极大地促进恒星演化这一研究领域。这是一场始于德国,止于加州帕洛玛山天文台的科学之旅。


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革命性的研究者这张沃尔特·巴德(Walter Baade)的肖像摄于1935年左右,正值他最高产十年的前夜。在这十年里,他推动了超新星的研究,证实了两种不同星族的存在,并促进了恒星演化这一领域的发展。



/初到美国


1893年,沃尔特·巴德出生于德国西北部施罗廷豪森,是一名教师的儿子,拥有扎实的数学与科学基础。由于患有先天性的髋关节疾病,他得以在第一次世界大战期间免除兵役,在哥廷根大学学习的同时,为德国陆军技术中心工作了数年。1919年他获得了天文学博士学位,随后进入汉堡天文台使用1米(40英寸)反射望远镜观测,这也是当时欧洲大陆最大的反射望远镜之一。


20世纪初的欧洲天文学家们仍然专注于天体测量学,巴德最初被分配的任务是测量恒星的位置。不过,他会尽力抽出时间来研究自己感兴趣的内容——球状星团与星云


他的一本早期笔记上的标题是“恒星演化”,内容涉及变星图与星云的光谱。当时还在威尔逊山天文台工作的天文学家哈洛·沙普利认为,星云只不过是会发出微弱光线的气体。而巴德则根据威尔逊山天文台60英寸望远镜于1920年拍摄的一张照片,怀疑位于三角座的M33星系中存在恒星,甚至底片存档中其他星云的照片也是。未来数十年巴德的研究工作便围绕这一猜想展开。


整个二十世纪二十年代,巴德的全部时间几乎都在汉堡天文台观测球状星团。与沙普利英雄所见略同,他也认为天琴座RR星(这类天体的周期-光度变化关系是测量天体距离的“标准烛光”)可以作为这些星团的距离标尺。从1926年开始,巴德便开始搜寻天琴座RR星。在多次扩大搜索范围后,巴德很快发现天琴座RR星集中于银河系平面。这项观测颇具挑战,不过它将为“星际消光”这个天文学新概念提供早期证据——即气体和尘埃使得恒星亮度衰减的效应。


1925年1月24日,巴德借助日全食远征的机会访问美国,并见到已调任哈佛大学天文台台长的沙普利。沙普利帮巴德申请了一笔访学经费,使得他可以在返回德国前,于1926至1927年间使用多台美国大型望远镜进行观测,包括威尔逊山天文台。


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高产先驱 哈洛·沙普利对天文学做出了开创性的贡献,包括利用造父变星估算银河系的大小,以及太阳系在银河系中的位置。沙普利曾经为巴德争取到了一笔经费,促使这位德国天文学家得以在威尔逊山天文台工作。


此刻,开创性的研究工作正在威尔逊山上如火如荼地进行。1918年,沙普利借助亨利埃塔·勒维特六年前发现的造父变星周光关系,计算了银河系周围球状星团的距离。1924年,埃德温·哈勃使用相同方法测量了包括仙女星云在内的几个“旋涡星云”的距离,发现它们远在我们的银河系之外,并由此判断出它们是星系,且宇宙要比天文学家们之前的想象大得多。1929年,哈勃进一步将星系的距离与谱线红移联系起来,推断出宇宙正在膨胀的事实。一系列的发现使得哈勃成为红得发紫的科学明星,不过他的计算结果也有矛盾,哈勃计算出的宇宙年龄比最古老的恒星年龄还要小这个问题将在二十年后被巴德解决


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强力之门 100英寸胡克反射镜是威尔逊山天文台建造的第二台望远镜,也是促使天文学领域许多伟大变革的催化剂。验证银河系外还存在其他星系、宇宙膨胀、暗物质的存在证据,以及巴德对星族的确认都是利用这台望远镜发现的。


哈勃的研究让星系天文台成为了热门领域,威尔逊山天文台自然需要招募更多研究人员,而巴德的学术成果以及他在美国访学期间所积累的良好声誉,最终促使这位德国天文学家于1931年正式入职威尔逊山天文台。


来到威尔逊山后不久,巴德便与刚从瑞士来到美国的加州理工学院物理学家弗里茨·兹威基展开了合作。他们一拍即合,于1934年接连发表了三篇颇有影响的论文,分别确立了超新星这种新天体的概念,提出了宇宙线源自超新星的假说,并设想了一颗恒星是如何经历超新星爆发演化为中子星遗迹的。他们二人此后又在另一项目上合作,兹威基使用帕洛玛天文台新建成的18英寸施密特望远镜搜寻超新星,巴德则利用威尔逊山天文台对这些超新星的光变曲线进行测定。这项探索同样回报颇丰,巴德测定的光变曲线数据为通过超新星来测定恒星距离奠定了基础


巴德与哈勃在1938年至1939年间开始合作,他们利用沙普利在南半球拍摄的照相底片研究玉夫座和天炉座的恒星系统。巴德认为这些恒星系统是矮椭圆星系,只要在其中能辨认出恒星,便可证实他的猜想。不过这些底片中并没有发现蓝超巨星或红超巨星,让人不禁联想到仙女星系以及它那椭圆伴星系的中央核球——或许这意味着在所有椭圆星系中都不存在这类恒星。在这些难以分辨的天体中是否存在超巨星?这是判断不同星族的重要线索。巴德正在不断接近一项重大发现,只差更好的观测数据



/享受黑暗


1941年,美国正式卷入第二次世界大战,这使得包括哈勃在内的大多数威尔逊山天文台科学家都要投入国防项目。结果就是,望远镜竟然无人使用。除此以外,为了防止日本空袭,洛杉矶地区的家庭和企业被要求在夜间调暗灯光,夜空因此变得更加黑暗。尽管这些对于天文观测都是利好,不过战时法律也迫使巴德远离天文台。作为一名德国公民,他被归入敌国人并受到严格管控。最糟的是,在夜间的宵禁期内他必须呆在家里——而这正是他进行天文观测的时间。幸运的是,威尔逊山天文台的同事米尔顿·哈马森与当地军代表私交甚好,为巴德开了绿灯,让他的研究得以继续进行。


巴德和哈勃之前用来研究玉夫座和天炉座的照相底片对蓝色恒星敏感,这些蓝星主要集中于旋涡星系的臂和盘上。对于星系中心区域,这些底片几乎没有什么价值。巴德怀疑在这个区域,有一群温度更低、亮度也更低的红色恒星。如果胆子再大一点的话,他相信在椭圆星系的中心区域,或许还能发现自己的老相识——球状星团中的天琴RR变星。不过在旋臂和盘中不会存在明亮的蓝色造父变星。为了证实自己的假设,巴德必须在这些星系致密的中心区域辨别出恒星。


他花费大量时间使用对红光敏感的底片进行测试,完善方法与工具,希望能辨认出比哈勃所分辨出的更暗弱的恒星。


1943年8月25日,他终于成功了。从一张仙女星系的矮椭圆伴星系M32的底片上可以看出,其中央核球内散落分布着暗弱的恒星巴德后来回忆道,每一项准备工作对于结果都至关重要——他必须把每一步都做对,而且他做到了。即便如此,底片上的恒星看起来仍然太过模糊,以至于《天体物理学报》不敢相信复印件,要求他必须提供原始底片才同意出版。

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关键发现 巴德在1943年对M32内的单个恒星进行的观测,是证明变星存在两种不同星族的关键证据,要用放大镜才能看清团状M32上的精确细节。这张底片毫无疑问是巴德一直找寻的第一个证据。


巴德在这年秋天进一步扩展了观测结果。在仙女星系的中心区域、邻近M110和矮球状星系NGC 185的位置发现了黄色巨星,不过并未发现蓝色或红色的恒星。通过区分不包含这类恒星的族群以及包含这类恒星的族群,他确认存在两种星族,这个想法已经在他脑海中足足酝酿了二十五年。巴德将旋涡星系的臂和盘中发现的恒星定义为星族I,或“正常”恒星,这些星系也是经典造父变星的所在地星族II恒星发现于星系中央核球,同时也是天琴座RR变星的位置


1944年,巴德在《天体物理学报》上发表了两篇论文,并一举成名。尽管他有可靠的观测数据来证明两个星族的存在,不过他却无法解释这些恒星存在差异的原因。乔治·伽莫夫在读完巴德的论文后,很快就提供了一种解释。星族I的恒星很年轻,而星族II是老年恒星。尽管当时恒星产生能量(聚变)的物理学过程还不完全明确,不过早在1939年,一些科学家便对这一过程中年轻恒星与老年恒星分别会产生怎样的影响进行了预测,巴德显然并不了解这些。事实上,巴德本人最初拒绝接受星族差异在于恒星年龄这一观点,直到多年后他才接受。无可否认,正是巴德的工作为恒星演化理论提供了观测基础。从他确信了这个想法开始,直到他成为了这一领域的先行者。



/大考验


1947年,巴德在俄亥俄州举行的美国天文学会会议上做了特邀报告后,便立刻重新投入工作。此刻他已成功地在银河系的核心找到了天琴座RR星,但他暂且不愿发表任何内容,因为当时尚未在仙女星系中心找到同类天体——100英寸的胡克望远镜还不足以完成这项工作。随着1948年帕洛玛天文台的200英寸望远镜开始投入观测,巴德得以使用更巨型的望远镜继续他的搜索与发现。


在测量距离方面,沙普利与哈勃均是依赖造父变星周光关系的单一模型。这种方法听上去合理,不过它所测出的距离后来证明比使用两种不同变星族的方法测出的距离要近不少。事实上,哈勃和巴德早前便曾注意到,仙女星系中的球状星团似乎比银河系中的球状星团要暗弱1.5星等。而且巴德的工作还阐明了可能的原因——组成这个球状星团变星种类不同


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距离标记  天文学家使用变星作为“标准烛光”来估算距离。作为标准烛光的变星有两种主要类型,分别是天琴座RR星(曲线如图),其周期以小时为单位,还有造父变星,其周期以天或周为单位。这类恒星的本征光度与其周期相关,因此通过测量周期就可以得到该恒星的内禀亮度。再加入该星的视亮度,便可算出它的距离。这种周期-光度关系,现在一般被称作莱维特定律),天文学家可以通过它来测量任何包含这类变星的天体的距离。


沙普利无法接受这个结论,这将使人对他计算的仙女星系距离产生怀疑。根据沙普利的估计,仙女星系核心内部的任何一颗天琴座RR变星,都应该在200英寸望远镜的探测能力范围之内,他确信新望远镜将证实他的计算结果。因此,巴德在1949年开始尝试辩识仙女星系中心的天琴座RR恒星。海尔望远镜此时还很新,巴德这项工作将是对理论与设备的同时考验。然而,即便使用200英寸望远镜来观测,巴德也没有发现任何天琴座RR星,这意味着仙女星系必然比沙普利所计算的要远得多。海尔望远镜用一次找寻恒星的失败,揭开了人类对宇宙大小的全新认知!


利用后来在帕洛玛天文台的一系列观测,巴德发现仙女星系造父变星星族的周光关系,与沙普利和哈勃使用的标准相差约1.5星等——这和他在观测球状星团过程中发现的差别相似。不过现在,这种差别可以用来定量测量仙女星系的距离:星系的距离大约是之前认为的两倍,而宇宙年龄则是之前认知的两倍。对沙普利而言这是个坏消息,不过它却终结了一个宇宙学的重大难题。


在1952年罗马国际天文学联合会大会上,巴德宣布了这些发现。经典造父变星位于星族I恒星富集的区域,而短周期造父变星和天琴座RR星则位于星族II恒星旁边。巴德的发现当场获得了附和,观众席的一位天文学家起立发言,声称他们在南半球的星系小麦哲伦星云中也辨认出了天琴座RR星。巴德的研究最终在1956年正式发表。



/德国之心


基于卡内基的人事政策,65岁的巴德于1958年退休。许多高校向他发出了邀约,不过他毅然决定返回德国。几经辗转,他于1959年10月回到德国,随着年龄的增长,他的髋关节病越来越重,还罹患了脊椎骨刺,不得不进行手术。就在术后缓慢的康复过程中,他的身体突然崩溃,19606月离开了这个世界。


亨利埃塔·斯沃普作为他长期的助手与合作者,接手了巴德遗留的成堆照片与数据。在他所有产生的发表成果中,巴德都被列为文章的合作者。曾对恒星组分做出革命性发现的哈佛天体物理学家塞西莉亚·佩恩-加波施金安排了巴德退休后的访问,她还将巴德的讲义改编成《恒星与星系演化》一书,由哈佛大学出版社出版。


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同事兼合作者 | 塞西莉亚·佩恩-加波施金是一位出生于英国的天文学家,师从沙普利。她是拉德克利夫学院第一个获得博士学位的人,在恒星的化学过程以及变星本原方面进行了开创性的研究。作为巴德的崇拜者,佩恩-加波施金在他去世后收集并整理了他的笔记。


沃尔特·巴德或许算不上家喻户晓的天文学家,不过他的遗产影响深远,绝不逊色于同时代的任何同僚。天文学家们今天仍在沿着他所开创的科学道路上前进,利用造父变星和超新星的观测精测银河系的距离以及宇宙年龄。这些人中就有温迪·弗里德曼(曾任芝加哥大学卡内基天文台台长),“如果说是他单枪匹马地提出了恒星演化理论或许有些言过其实,”在谈到巴德的影响时她说,“但他验证了椭圆星系与旋涡星系存在不同的星族,从而表明恒星演化存在不同路径,这显然极大地拓宽了我们的认知。”“他同时启发人们追寻星系随时间演化的详细问题”,她进一步补充,“并激励了无数年轻的天文学家用新观点与新数据来充实这些领域。


早在1927年,巴德就想建立一个南半球天文台,不过这一梦想从未实现。二战期间,他曾尝试前往阿根廷以便观测南半球的星空,不过由于他的公民身份问题受到限制未能成行。他终其一生倡导并帮助建立欧洲南方天文台,却从未能在那里工作。终于,在2000年,口径256英寸(6.5米)的沃尔特·巴德望远镜在位于智利的拉斯坎帕纳斯天文台投入运行。未来的几十年,它将在南半球收集来自宇宙的信息。


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探索继续 | 两台6.5米麦哲伦望远镜正在拉斯坎帕纳斯天文台巡视天空,该天文台位于智利阿塔卡马沙漠,海拔近2400米。沃尔特·巴德望远镜(左侧)是这两台望远镜中率先完成的,它于2000年完成初光。 


——节选自《中国国家天文》2024年第十二期


作者简介 /


史蒂夫·默里(Steve Murray)是一位自由科普作家,他在加州圣迭戈的家中从事业余天文观测,同时作为美国航天局/喷气推进实验室的太阳系大使,为公众提供STEM演示。


译者简介 /


黎耕,中国科学院国家天文台副研究员、中国科学院大学天文与空间科学学院副教授,中国科学院青年创新促进会会员,主要研究方向为天文学史。