清代天文学家李锐......
那个午后的天才妙想，让《时代》周刊将他与伽利略相提并论
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2024-11-12 00:14:03 版权归原作者所有，如有侵权，请联系我们
在50多年的学术生涯中，施密特凭借过人的才智、敏锐的直觉、超前的思维、浪漫的情怀与坚韧的意志，为人类探索宇宙做出了杰出的贡献，也获得了应有的荣誉。他是可以安息的。
撰文 | 王善钦
2022年9月17日，杰出的天文学大师、天文领域的传奇人物马丁·施密特（Maarten Schmidt，1929-2022）逝世，享年92岁。
马丁·施密特。图片来源：[1]
师出名门，年青有为
1929年12月28日，施密特出生于荷兰格罗宁根（Groningen）。他的父亲威廉·施密特（Wilhelm Schmidt）是政府的一名会计，他的母亲安妮·威廉敏娜·施密特（Annie Wilhelmina Schmidt）是一名家庭主妇。[2]
施密特的伯伯或叔叔是一名药剂师与业余天文学家。在他的指导下，施密特用两块透镜与一个纸筒造出了一台望远镜。由于二战期间的灯火管制，他得以在城市的中心观测星空。他寻找并阅读所有能够找到的天文书籍。[2]
1949年，施密特在格罗宁根大学获得学士学位，并在1年后获得硕士学位。然后，施密特进入荷兰的莱顿大学天文台（Leiden Observatory）跟随天文学大师简·奥尔特（Jan Hendrik Oort，1900-1992）攻读博士研究生。
在博士研究生期间，施密特用了一年时间在肯尼亚（Kenya）观测恒星并测量它们的位置。在完成这个任务后，施密特回到莱顿大学天文台，用射电望远镜系统观测银河系旋臂中的氢分子云发出的21厘米谱线，从而绘制银河系形态图。
1955年，施密特与科妮莉娅·托姆（Cornelia Tom）结婚。[2]二人婚后共生育了三个女儿：安妮·施密特（Anne Schmidt）、玛丽·施密特（Marijke Schmidt）与伊丽莎白·施密特（Elizabeth Schmidt）。[3]
1956年，施密特在获得博士学位，其学位论文的主题是用21厘米谱线的观测确定银河系的质量分布。
此后2年，施密特以卡耐基学者（Carnegie Fellow）的身份在威尔逊与帕洛玛天文台（Mt. Wilson and Palomar Observatories）工作，类似于现在的博士后工作。这个听起来很奇怪的单位是由此前的威尔逊天文台（Mt. Wilson Observatory）与帕洛玛天文台（Palomar Observatory）合并而成的。
1958年，施密特回到莱顿大学。一年之后，他被威尔逊与帕洛玛天文台聘用，同时担任加州理工学院副教授。[3]当时的帕洛玛天文台拥有口径为200英寸（5.08米）的海耳（Hale）望远镜，它是当时世界上口径最大、性能最优越的光学望远镜。在天文学中，“光学”指可见光。
1945年12月时处于抛光状态的Hale望远镜的主镜面。为了减轻重量，它的后面被挖空为蜂巢结构。图片来源：[4]
1959年，施密特发表了一篇论文，[5]将星际气体的密度与其中的恒星的形成率联系起来，人们称这个结果为“施密特律”（Schmidt law）。此时，施密特尚不足30岁。
施密特的这篇论文对恒星形成理论有深远影响，至今为止获得至少两千次引用。
神秘的射电源，神秘的“恒星”
在同事、射电天文学家托马斯·马修斯（Thomas A. Matthews）的影响下，施密特开始进入射电源领域。所谓的射电，就是无线电。射电源指的是那些发射出射电辐射的天体。
从20世纪50年代开始，射电天文学蓬勃发展。射电天文学家发现了天空中很多射电源。剑桥小组的天文学家将它们编入一个表格，并不断更新。
1959年，这个星表被更新为 “第3版剑桥射电源星表”（Third Cambridge Catalog of Radio Sources）并出版，这就是著名的“3C表”，3代表第3，C代表剑桥。3C表里面所有的射电源的编号的开头都是“3C”。
这些射电源引起了天文学家的强烈兴趣，他们用光学望远镜拍摄它们，以确定它们的光学对应体。
1960年春，施密特的同事鲁道夫·闵可夫斯基（Rudolph Minkowski，1895-1976）[注1]凭借海耳望远镜的观测，确认3C表中的3C 295是一个星系，其红移是0.461[6]，这是此前测出的星系的红移的记录的2倍。这类发出强烈射电辐射的星系被称为“射电星系”。
1960年夏天，马修斯找到阿兰·桑德奇（Allan Sandage，1926-2010），希望后者能够用海耳望远镜观测他圈出的10个看上去很小的射电源，以确定它们是不是射电星系。[7]
阿兰·桑德奇。图片来源：[8]
1960年9月，桑德奇用海耳望远镜观测了表中的第48号射电源——3C 48，探测到一颗大约为16等的类似于恒星的蓝色天体，周围有一小缕星云状的物质。马修斯与桑德奇都认为这是一颗前所未见的“射电恒星”。[7]
尽管16等星比大多数人能够看到的最暗的星（6等）还暗了1万倍，但在海耳望远镜的“眼”中显然算是亮星了。
桑德奇拍摄了它的光谱，并测量了光谱中的一些发射线，发现根本无法与实验室中的光谱线对应上。桑德奇拿着3C 48的光谱与杰西·格林斯坦（Jesse Greenstein，1909-2002）等人交流。格林斯坦也无法得到明确结论。
此外，桑德奇的持续观测还表明，3C 48的光学亮度每隔14天就会变化一半，据此可以推断出它的发光区域大小仅是太阳系大小的几倍。这个结果让桑德奇更相信这是一颗恒星。
1962年，桑德奇拍摄了3C表中的3C 273的位置，发现了一颗大约为13等的浅蓝色星体，它的亮度是16等的3C 48的亮度的16倍。桑德奇还发现3C 273的中部有一根发光的“细刺”，像星云状物质。我们现在知道，这根“细刺”实际上是3C 273抛出的喷流。[7]
哈勃空间望远镜（“哈勃”）的WFPC2拍摄的3C 273（中心亮点）的可见光图像。中心亮点左上方的一条柱状条纹是它发出的喷流，长度达到了20万光年左右。图片来源：[9]
但桑德奇并没有（或未能）深入思考这颗“星”以及它的“细刺”的本质。他也无法确定作为射电源的3C 273的更精确的位置，因此无法证明3C 273与这颗13等的“星”的位置完全重合。
桑德奇没有想到的是，他的同事施密特很快要弯道超车了。
一条刻度尺背后的奇思妙想
1962年秋，西里尔·哈扎德（Cyril Hazard）与合作者利用月亮遮掩3C 273的机会，用帕克斯（Parkes）射电望远镜确定了3C 273的更精确的位置。[10]然后他们将位置发送给马修斯，后者又将位置转发给施密特。
20世纪50年代，正在班克天文台（Jodrell Bank Observatory）观测的哈扎德。图片来源：[11]
施密特发现3C 273的精确位置恰好与桑德奇发现那颗小而亮的蓝色“星”的位置重合。这意味着，那颗小蓝“星”就是3C 273的光学对应物。天文学的一场疾风骤雨马上就来临了。
1962年12月27日，施密特用海耳望远镜拍摄了3C 273的光谱。由于它实在太亮，常规的曝光时间竟然使底片被过度曝光。[12]第二次与第三次，施密特都成功获得了它的光谱。
施密特发现，3C 273的光谱非常奇怪，出现了9条相当宽的发射线。其中，中心波长为323.9纳米、503.2纳米、563.2纳米、579.2纳米的4条发射线尤其显著。被确定的还有459.5纳米与475.3纳米的两条谱线。其余3条谱线的中心波长误差范围较大。
施密特无法确认这些发射线对应哪种化学元素。此后，他多次想破解这个谜团，但却毫无头绪。他深感苦恼，一度想放弃。
差不多同时，施密特的同事贝弗利·奥克（Beverley Oke）用威尔逊天文台的100英寸（254厘米）口径的胡克（Hooker）望远镜拍摄了3C 273的光谱，光谱中显示出一条位于红外波段的强烈的发射线，它的波长为759.0纳米。
1963年2月5日，周一，下午，施密特来到办公室，想继续思考自己得到的结果。当他把那张光谱底片放入仪器时，他突然意识到，他确认的发射线中的3条与奥克确认那条发射线的分布规律与氢的巴耳末（Balmer）线系[注2]中的几条线很像。
然后，施密特脑中突然出现一个违背祖训的想法：这些光谱线可能就是氢的发射线，只是它们往红色一端移动（“红移”）了。
这个看似疯狂的想法让施密特莫名兴奋，他马上在身边找到一条简陋的滑动刻度尺，[7]直接测量出移动的量，然后立即得到了3C 273的红移是0.158。也就是说，这些光谱是氢的光谱线，只是它们的波长被拉长了0.158倍。
施密特乘胜追击，确定出所有被确认出波长的发射线的本质：奥克拍摄的那条线是氢的巴耳末线系中的Hα线；他自己确认的6条线中的4条分别是Hβ、Hγ、Hδ与Hε线。[注3, 注4]另外2条发射线则分别是一次电离镁（Mg II）与二次电离氧禁线（[O III]）。[注5]
施密特拍摄的3C 273的光学光谱（上）与实验室中用以比较的光谱（Comparison Spectrum，下）。Blue表示蓝，Red表示红，Red Shift表示红移。下方的Hδ/410 nm、Hγ/434 nm与Hβ/486nm分别为实验室中的氢的巴耳末线中的3条与对应的波长。上方的相同记号表示它们被红移之后的位置。图片来源：[13]
施密特兴奋地走出办公室。在走廊走动时，他恰好遇到了格林斯坦。他立即把自己的发现告诉后者。格林斯坦恍然大悟，此前他也曾设想3C 48的光谱产生了显著红移，但却因为认定它是一颗银河系内的恒星而放弃了这个想法。有了施密特的工作的印证，格林斯坦坚定了信心。格林斯坦与施密特仅用了5到7分钟，就确定了3C 48的红移是0.37，比3C 273的红移更大。
二人讨论时的喧闹声惊动了奥克，他赶紧过来问发生了什么事了。然后三人在接下来的几个小时到办公室讨论：除了红移这种解释之外，还有没有其他的解释？一直讨论到下午6点，三人都无法找出另外的解释。[12]那么，“红移”这个解释应该是最自然的解释了。
6点过后，三人决定下班。施密特兴奋至极，没有立即回家，而是与奥克一起到格林斯坦家里聚会庆祝。深夜，施密特回到家，对妻子说：“办公室里发生了骇人的事情。”（Something terrible happened at the office）。[12]
后来他回忆说，自己当时的英文表述也许并不精确[12]，但他当时确实说的是“骇人的”（terrible）。也许当时他想表达的意思是“惊人的”。
施密特的发现确实是骇人的：结合距离与观测到的亮度，可以算出3C 273的光度达到太阳光度的2万亿倍左右（现代计算值是4万亿倍），是当时被确认的最亮的射电星系的亮度的光度的100倍左右。一个大小远远小于银河系的天体，却比星系亮得多，这在当时实在是骇人听闻。
它到底是什么？
“星系的核心”
施密特很快写了一篇的论文，讨论了3C 273的光谱，并将其中的发射线解释为被红移了0.158倍之后的氢、镁与氧线。这篇论文发表于《自然》（Nature），标题是《3C 273：一个大红移的类星物体》。[14]
事实上，那一期的《自然》连续刊登了4篇密切相关的论文，第一篇是哈扎德等人测量3C 273的精确位置的论文[10]，第二篇是施密特确定3C 273的红移的论文[14]，第三篇是奥克发现3C 273的红外发射线的论文[15]，第四篇是格林斯坦与马修斯确定3C 48的红移的论文[16]。
在这篇不到1页的划时代的论文中，施密特报告了自己的观测，并指出，3C 273的红移基本上不可能是恒星的引力造成的“引力红移”，而是由宇宙膨胀导致的“宇宙学红移”。
施密特认为，3C 273是一个星系的核心，该星系的红移是0.158，它的速度是光速的0.158倍，即47400千米每秒。
施密特计算出3C 273与地球的距离约为5亿秒差距，即约16亿光年（根据现代的哈勃常数计算得到的数值是24.4亿光年）。施密特还计算出3C 273的直径小于1000秒差距（3262光年，1000秒差距只是粗略估计值，并非精确值）。
施密特不仅正确解释了3C 273的红移，而且正确地猜想它是一个星系的核心，显示出他大胆而超前的思维。
1965年，施密特发表了另一篇重要的论文，公布了5个主要由他发现的新的类星体[17]，其中有3个的红移为1，最远的那个的红移更是高达2。正如他自己所说：“我们现在可以轻易获得很高的红移（的类星体），因为这些该死的东西实在太亮了。”[注6]
1965年，使用显微镜测量光谱的施密特。图片来源：[18]
成功破圈
这么小的天体的光度却比极其庞大的星系的光度高得多，这听起来非常不可思议，但可能性却很大。因此施密特的这一发现让整个天文学界与大量普通人大受震撼。
人们都已经意识到宇宙学与天文领域的一场巨大的变革已经猝然到来。施密特一战成名。正如他自己后来回忆的那样：“我发现（类星体）红移的那个晚上，前景绝佳。”[注7]
1966年3月11日，施密特成为《时代》（Time）周刊的封面人物。《时代》将施密特与伟大的物理学家与天文学家伽利略（Galileo Galilei，1564-1642）相提并论：17世纪的这位意大利人（伽利略）震惊了同时代科学家与神学家，20世纪的这位荷兰人（施密特）同样震惊了同时代的其他人。
因为确认类星体而登上1966年3月11日《时代》周刊封面的施密特。图片来源：[19]
《时代》周刊的推波助澜，使施密特的名声成功破圈，成为媒体的宠儿与社会名流。
当时的天文学家将这些谜一样的天体称为“类星射电源”（quasi-stellar radio sources），或“类星体”（quasi-stellar objects，QSOs）。1964年，丘宏义（Hong-Yee Chiu，1932-）在一篇文章[20]中嫌“类星射电源”这个词组太长，因此直接将其称为“quasar”，直译是“类星”；但国内的天文书籍也将其也翻译为“类星体”。
1965年，此前痛失一局的桑德奇首次发现不发出射电辐射（“射电宁静”）的类星体。[21]研究表明，类星体中的90%是射电宁静的。因此类星体包含了类星射电源。
此后，施密特继续寻找、观测类星体，从而对类星体的确认、计数、统计、空间分布、演化、红移-距离关系等问题也做出重要贡献。例如，他发现，红移大约为2.5的宇宙中的类星体的产生率是最大的。
红移与能源之谜
在类星体被发现后的十年左右的时间内，对于其距离与能源一直存在争论。施密特等人相信它们的红移是“宇宙学红移”，因此是非常遥远而明亮的天体；另外一些天文学家则反对前者的观点。
尽管如此，“宇宙学红移”的观点依然占据主流。这样就必然带来另一个问题：如何解释它们的高光度？
1964年，萨尔彼得（Edwin Salpeter，1924-2008）与泽尔多维奇（Yakov Zel'dovich，1914-1987）分别提出[22-23]，星系中心的超大质量黑洞吞噬周围的物质，物质内部的粒子互相摩擦生热，加热物质，可以解释类星体的高光度。
1969年，曾经在施密特那里当过博士后的林登-贝尔（Donald Lynden-Bell，1935-2018）进一步发展了这个理论，并提出：超大质量黑洞在星系中心普遍存在，发出强烈辐射的近距离的星系是老/死的类星体。[24]林登-贝尔指出，普通星系、赛弗特（Seyfert）星系与类星体本质上并无差异，只是它们中心的超大质量黑洞与周围的物质盘的活跃性不同而已。
类星体的艺术想象图。图片来源：[25]
然而，黑洞模型在那个时代没有足够的说服力，因为大多数天文学家与物理学家都不相信黑洞的存在性。因此，在整个60年代，类星体的红移与能源问题依然无法获得共识。
尽管如此，天文学家与物理学家却已经明显感觉到：类星体即使不是黑洞与周围物质共同作用的结果，也很可能与星系中心的某种特殊的物理过程有关。
此外，为了能够让黑洞模型可以解释类星体，理论物理学家开始更认真地对待黑洞理论，天文学家也热情地去寻找黑洞存在的证据。
因此，即使在稍显混乱的60年代，类星体的发现与研究也有力地促进了天文学与理论物理学的发展。
铁证如山
要想最终确定类星体到底是不是星系的明亮核心，最简单、最有力的方法就是寻找它所在的星系。如果能够找到类星体嵌在某个星系的中心的观测证据，施密特提出的这个想法自然就被证实了。
1973年，克里斯蒂安（Jerome Kristian）用海耳望远镜拍摄了26个类星体，发现其中一部分类星体明显地嵌在一些星系的中心。这强烈支持了施密特提出的“类星体是星系的核心”的建议。不过，反对者依然可以说这些重合可能只是视线上恰好重合。
1982年，托德·波罗森（Todd A. Boroson）与奥克发现了类星体3C 48周围的星系，并确认这个星系的红移与3C 48的红移相同。这直接证明类星体的红移确实是真实的宇宙学红移。
类星体就是星系的核心。施密特的天才想法是正确的。
后来的观测也在不断证实施密特的想法。例如，“哈勃”的ACS利用星冕仪屏蔽了3C 273的光之后，清晰地拍摄到它旁边的物质，后者就是3C 273所在的星系；这强有力地证明了3C 273是一个星系的核心。再如，“哈勃”的WFPC2拍摄的“类星体0316-346”的图像中，它周围的星系清晰可见。
“哈勃”的ACS拍摄的3C 273附近的星系物质的图像（左）与“哈勃”的WFPC2拍摄的类星体0316-346的光学图像。在左图中，类星体发出的光已经被星冕仪屏蔽，这使得周围的星系物质可以被更容易拍摄到。图片来源：[26]（左）；[27]（右）。
虽然此后依然有极个别著名的天文学家——如阿普（Halton Arp，1927-2013）——无视这些铁的事实，继续坚持类星体的红移不是宇宙学红移，但他们无法撼动观测的铁证。
除了红移方面的铁证之外。能源问题也获得了突破。通过间接的方式，天文学家证明星系中心确实存在黑洞。最近几年，射电望远镜阵更是直接拍摄到M87与银河系中心的超大质量黑洞。
学术荣誉
1964年，施密特在加州理工学院升为教授。
1972-1975年，他担任加州理工学院天文系主任。1976-1978年，他担任加州理工学院的数学与天文组主席。
1978-1980年，他成为海耳天文台（Hale Observatories）的台长，该天文台由“威尔逊与帕洛玛天文台”改名而来。由于威尔逊天文台与帕洛玛天文台一直貌合神离，施密特于1980年拍板解散海耳天文台，使其恢复为原来的两个独立单位。他也因此成为海耳天文台最后一任台长。
1996年，施密特光荣退休。但在此后大约十年，他继续从事研究并发表论文。
由于对确认类星体并为人类认识类星体的各种重要性质做出重要贡献，施密特从1964年开始就开始获得了众多重要奖项。这些奖项包括1964年的沃纳奖（Warner Prize）、1978年的诺里斯·罗素讲席、1980年的英国皇家天文学会金质奖章（Gold Medal of the Royal Astronomical Society）、1991年的沃森奖章（James Craig Watson Medal）、1992年的布鲁斯奖章（Bruce medal）与2008年的首届科维里天体物理学奖（the Kavli Prize for Astrophysics，与林登-贝尔分享）。
2008年，施密特（左）与林登-贝尔（右）领取首届科维里天体物理学奖。图片来源：[28]
浪漫的情怀与坚韧的意志
类星体被公认为20世纪60年代的“四大发现”之一。另外三项分别是：微波背景辐射、脉冲星与星际分子。
在顶尖高手如云、竞争极端激烈的帕洛玛山上，施密特凭借自己的敏锐直觉与专业素质，抓住了转瞬即逝的机会，有幸成为第一个确认出类星体的人。
从此以后，人类不断发现更多类星体，它们的红移的值也不断刷新记录。2021年，天文学家发现类星体J0313–1806，测出它的红移高达7.64，那个时候的宇宙年龄才6.7亿年（宇宙年龄在138-140亿年之间）。这个记录还会在未来被快速刷新。
在施密特的职业生涯的巅峰时期，他一次次在入夜后乘坐电梯进入位于海耳望远镜的主焦点的“笼子”里；电梯移开后，他开始彻夜观测。
现在还在运行的海耳望远镜。图片来源：[29]
在微冷的夜晚，他拒绝为了御寒而穿上更多衣服，因为他认为在寒夜里受点苦才会让观星的过程更浪漫。他让自己的浪漫情怀与坚韧意志结合在一起。[注8]
在至今为止被发现的近100万个类星体中，由施密特确认的3C 273具有特殊的地位：它不仅是第一颗被确认的类星体，也是唯一能够用小望远镜看到的类星体，因为它相对近（虽然它不是最近的类星体），且极端亮。
施密特。图片来源：[3]
在50多年的学术生涯中，施密特凭借过人的才智、敏锐的直觉、超前的思维、浪漫的情怀与坚韧的意志，为人类探索宇宙做出了杰出的贡献，也获得了应有的荣誉。
他是可以安息的。
施密特。图片来源：[3]
注释
[注1]他的叔叔就是为相对论做出巨大贡献的著名数学家赫尔曼·闵可夫斯基（Hermann Minkowski，1864-1909）。
[注2] 氢的巴耳末线系是氢的电子从更高能级跃迁到第2能级时发射出来的光谱线。
[注3] Hα、Hβ、Hγ、Hδ与Hε线分别是氢原子中的电子从第3、第4、第5、第6与第7能级跃迁到第2能级时发出的光谱线，波长分别为656.3、486.1、434.1、410.2与397.0纳米，颜色分别是红色、蓝绿色、蓝色、紫色、紫外（无色），但因为红移了0.158倍，而成为759.0纳米、563.2纳米、503.2纳米、475.3纳米与459.5纳米。
[注4]有人认为这些光谱线中实际上掺杂了一次电离氦的电子的跃迁产生的发射线。因为一次电离氦中的电子从第6、8、10能级跃迁到第4能级时，发出的光谱线的波长就是656.0nm、485.9nm、433.9 nm，与Hα、Hβ及Hγ线的波长分别相等。不过，不管是氢、氦还是氢氦混合，它们被红移的事实才是事情的本质，所以施密特的解释不受影响。
[注5]禁线表示地球上的实验室内无法产生的线，但在太空中稀薄的物质中，它们可以产生。人们用中括号表示禁线。
[注6]原文：We could now easily get to very large redshifts, because these darn things are so bright.
[注7]原文：The night I discovered the redshift, it was a fantastic prospect,……
[注8]当然，浪漫不等于傻，在很冷时，他还是会穿上电热保温服。
参考文献/图源
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[27] John Bahcall, Mike Disney, and NASA/ESA
[28] https://www.kavliprize.org/prizes/astrophysics/2008
[29] Palomar/Caltech
出品：科普中国
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