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作为大师眼中的大师,奥尔特的人生是怎样的?

在奥尔特去世时,另一位天文学大师钱德拉塞卡伤心、失落,并将奥尔特比作天文学的参天大树。那么,作为大师眼中的大师,奥尔特的人生是怎样的?这位天文学泰斗又有着怎样的迷人风采?

很多人知道天文学家奥尔特的名字,或许是因为部分彗星的可能起源地——“奥尔特云”。而实际上,身在银河系中的我们能够 “看到”包裹着银河系的银晕、银河系的旋臂结构以及其中的暗物质,都要感谢这些领域的先驱奥尔特的贡献。

在奥尔特去世时,另一位天文学大师钱德拉塞卡伤心、失落,并将奥尔特比作天文学的参天大树。那么,作为大师眼中的大师,奥尔特的人生是怎样的?这位天文学泰斗又有着怎样的迷人风采?

撰文 | 王善钦

在古代的中国与欧洲,都记载了大量快速移动的天体,它们大多数拖着长长的 “尾巴”——这就是彗星。为了解释彗星的一些观测性质,著名天文学家简·亨德里克·奥尔特(Jan Hendrik Oort)猜测有一些彗星来自非常遥远的区域,这个理论上提出的区域被后来的天文学家称为“奥尔特云”。许多人或许以为奥尔特这辈子最重要甚至唯一的成就就是提出“奥尔特云”这个假说。然而,事实并非如此。

彗星起源只是奥尔特的众多研究领域之一,而且不是他一生中最重要的成就。奥尔特是银河系结构、银河系内恒星动力学、暗物质、射电天文学等领域的重要先驱;在这些领域,他做出的成就都比“奥尔特云”重要。当然,这些领域是有交叉的,比如他研究银河系结构的主要手段之一是用射电天文学。

奥尔特在这些领域的多个重要贡献帮助荷兰的天文学在二战之后站到了世界前列。也因为他的多个重要成就,他在55岁时就被列为“在世的最著名的100人之一”,并被公认为“二十世纪最伟大的天文学家之一”、“二十世纪最重要的宇宙探索者之一”。

2020年4月28日是奥尔特120年诞辰,我们通过这篇文章来讲讲奥尔特的故事。

师出名门

奥尔特于1900年4月28日出生于荷兰的弗里斯兰(Friesland)省的小镇弗兰尼克(Franeker),成为医生赫曼纽斯·奥尔特(Hermanus Oort)与露丝·汉娜·法伯尔(Ruth Hannah Faber)的第二个儿子。他有一个哥哥,在他读书时因为疾病早夭;他父亲还为他生了一个弟弟与两个妹妹。

3岁时,奥尔特随父母搬到莱顿(Leiden)附近的乌斯吉斯特(Oegstgeest)。奥尔特的父亲在那里开了一家精神病诊所,并成为一家精神疾病患者疗养院的医学主任。奥尔特一家住在疗养院提供的主任住房。住房附近就是一片小森林,环境宜人。

作为大师眼中的大师,奥尔特的人生是怎样的?

1910年,奥尔特与哥哥海因·奥尔特(Hein Oort)| 来源:JAN OORT, ASTRONOMER, Leiden University Library, Leiden 2000

奥尔特的小学与中学分别在乌斯吉斯特与莱顿完成。在读中学时,他开始对科学与天文感兴趣,他猜测这是由于自己阅读了著名科幻小说作家儒勒·凡尔纳(Jules Verne, 1828-1905)的作品。但事实上在10岁时,他就与天文有了联系:那一年,他观看了轰动世界的哈雷彗星回归。

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1910年,哈雷彗星回归。| 来源:Edward Emerson Barnard at Yerkes Observatory

17岁时,奥尔特进入格罗宁根大学。此时,荷兰著名天文学家雅克布斯·卡普坦(Jacobus Kapteyn,1851-1922)正在这所大学任教,这也是奥尔特选择这所大学的部分原因。卡普坦对银河系结构与恒星都有深入研究,并因此获得1902年的英国皇家天文学会金奖、1913年的布鲁斯奖(Bruce Medal)与1913年的瓦特森奖(Wotson Medal)。卡普坦去世之后,月球上一座环形山被命名为“卡普坦环形山”,818号小行星被命名为“卡普坦小行星”,还有一颗恒星被命名为“卡普坦星”。从这些荣誉中,可以想象得出卡普坦晚年时的名望。

在刚进入大学时,奥尔特无法决定自己该选择物理还是天文作为主修课程。在听了卡普坦开设的《基础天文学》之后,他被卡普坦教授富有感染力的讲课风格与人格魅力所折服,决定选择天文。大学三年级时,奥尔特就进入卡普坦教授的小组做研究。

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1919年,奥尔特(左起第三)在柏林。|来源:JAN OORT, ASTRONOMER, Leiden University Library, Leiden 2000

1921年,21岁的奥尔特大学毕业,留校成为助教。第二年,他前往耶鲁大学,担任耶鲁天文台一位教授的助理。在耶鲁的日子虽然有些孤寂,但他还是结交到不少好友,而且也参加了一些重要的会议,开阔了自己的视野。

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1923年,奥尔特(最后一排门内)在一次会议的合影。|来源:JAN OORT, ASTRONOMER, Leiden University Library, Leiden 2000

银河系结构、恒星运动与暗物质

1924年,奥尔特回到荷兰,成为莱顿大学的一位研究助理。这一年,24岁的奥尔特发现了“银晕”,它是球形的物质团,包裹着盘状的银河系。银晕里面分布着众多年老的星团与恒星,它们都绕着银河系中心旋转。可能奥尔特自己当时都没有意识到这个发现有多重要:后来的研究表明,银晕看似空荡荡,但却含有大量暗物质,其质量达到了银河系内发光物质的7到30多倍。

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银河系结构。灰色部分就是银晕,它就像轻烟笼罩村庄,但其质量却比银河系内发光物质的质量大得多。图中红色的点都是球状星团,每个球状星团中包含数十万到数千万颗恒星。| 来源:R J Hall;汉化:本文作者

1926年,奥尔特获得格罗宁根大学的博士学位,其博士学位的研究课题是银河系内高速运动恒星的性质。第二年,奥尔特与小他6岁的约翰娜·范·罗根(Johanna van Roggen)结婚。奥尔特此前在他弟弟就读的乌特勒支大学参加一次典礼时认识了约翰娜。

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1927年,奥尔特的结婚纪念照。| 来源:JAN OORT, ASTRONOMER, Leiden University Library, Leiden 2000

同样在1927年,瑞典天文学家贝蒂尔·林德布拉德(Bertil Lindblad,1895-1965)从理论角度提出:银河系内,越往外的恒星运动越慢,这些恒星绕银河系中心转动一周所用的时间也不同。换句话说,银河系内的众多恒星不是作为一个整体在自转,而是各自绕着银河系中心旋转。

莱顿大学天文台台长、著名数学家、物理学家与天文学家威廉·德西特(Willem de Sitter,1872-1934)首先告诉奥尔特这个理论进展。奥尔特相信林德布拉德的猜测,并认为这个猜测可以通过观测来证实。

奥尔特擅长将研究中要用的数学与物理简化。为描述银河系内恒星的运动,他推导出了两个公式,里面的两个常数被称为“奥尔特常数”。利用自己推导出的公式与一些恒星运动的数据,奥尔特计算出太阳与银河系中心的距离大约是2万光年;他的计算还表明,太阳每2亿年绕银河系的中心转一圈。

必须提及的是,此前威尔逊天文台的天文学家哈罗·沙普利(Harlow Shapley,1885-1972)已经通过对球状星团中的造父变星的测量,确定出太阳位于银河系边缘,而不位于银河系中心。奥尔特并不是第一认识到太阳位于银河系边缘的人,但他是最早探索出太阳与其他恒星的动力学规律的人之一。

1932年,奥尔特发现“银面”的质量超过可见物质的质量,因此断言银河系内含有相当数量不发光的物质,这使他成为暗物质研究的先驱之一,比兹威基(Fritz Zwicky,1898-1974)发现后发星系团中含有暗物质还早1年。当时他还不知道,他在8年前首先发现的银晕里含有更多暗物质。

1934年,奥尔特成为莱顿大学天文台的台长助理;同年,担任了15年台长的德西特去世。在此期间,哈佛大学与哥伦比亚大学都向已经声名鹊起的他伸出了橄榄枝,但奥尔特还是决定留在荷兰。1935年,奥尔特成为莱顿大学特聘教授与国际天文联合会的秘书长。1938年,奥尔特研究了太阳附近的恒星分布,发现了银河系的旋臂结构。

作为大师眼中的大师,奥尔特的人生是怎样的?

我们身在银河系内,因此无法跳出银河系拍出银河系的俯视图。但沙普利、奥尔特以及其他众多天文学家已经推导出银河系的结构。现在的天文学家认为宇宙中有众多星系与银河系很像,哈勃空间望远镜拍摄的UGC 12158就是其中之一。从图中我们可以看到UGC 12158清晰的旋臂,也可以借此体会到银河系的旋臂结构。这个星系核心左下方一些的位置上的一颗蓝色亮星是超新星SN 2004ef。| 来源:NASA/ESA,HST

射电天文学的先驱

1940年,纳粹德国占领荷兰,莱顿大学许多犹太血统的教授被解雇。奥尔特虽未被解聘,但拒绝与纳粹德国合作,因此毅然辞去了大学、天文台与科学院里的一切职位,来到格尔德兰(Gelderland)省的一个安静的农村。

在二战结束之前的这段时间,奥尔特除了写一本恒星动力学的书之外,还对射电天文学产生浓厚兴趣。早在1931年到1932年,卡尔·央斯基(Karl Jansky,1905-1950)就用自制的天线发现了来自地球之外的射电波;1938年,格罗特·雷伯(Grote Reber,1911-2002)用自制的射电望远镜确认了央斯基的发现,并在1941年用这个望远镜扫描全天,不仅成为射电天文学的先驱之一,也成为射电巡天的开山祖师。

雷伯的发现使奥尔特认识到射电天文学的重要性,也使其认识到用射电望远镜扫描银河系的必要性。奥尔特因此成为最早认识到射电天文重要性的少数天文学家之一。他敏锐地意识到,观测银河系发出的射电辐射,是研究银河系盘内物质的非常重要的手段,因为这些射电辐射很容易地到达地球,几乎不被稠密的分子云吸收。

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地面上拍摄的银河系,里面充斥着不发出可见光的分子云。图中的望远镜为欧洲南方天文台的甚大望远镜,它正在向银河系中心发射激光,制造导引星,用以矫正空气抖动对观测的影响。| 来源:ESO/Y. Beletsky

1944年,另一个年轻人崭露头角。还在乌特勒支大学读博士研究生的亨德里克·范得胡斯特(Hendrik van de Hulst,1918-2000)首先提出:银河系中的中性氢会发出21厘米谱线。

中性氢为何会发射21厘米谱线呢?我们知道,氢原子内只有一个质子与一个电子。质子与电子都有自旋,类似于太阳或地球的自转——实际上自旋是量子效应,不能与经典力学简单地比较,此处的类比只是为了便于理解。质子与电子的自旋都会产生磁矩,二者的磁矩方向相同时,电子的能量高;二者的磁矩方向相反时,电子的能量低。当电子的磁矩方向从与质子磁矩方向一致变为与质子磁矩方向相反时,就会发射出一个光子,其波长为21厘米。波长为21厘米的光子位于电磁波中的射电波段,要用射电望远镜来探测。

1945年,二战结束,奥尔特于6月回到莱顿,成为莱顿大学正教授。这一年,著名天文学家赫茨普龙(Ejnar Hertzsprung,1873-1967)从莱顿天文台台长的位置退休,回到其祖国丹麦。奥尔特成为莱顿天文台的新一任台长。1951年,美国与澳大利亚的科学家几乎同时发现了范得胡斯特预言的21厘米谱线。此后,奥尔特致力于争取资金与人力来建造射电望远镜,并在1956年建成了当时世界上最大的德文格洛(Dwingeloo)射电望远镜,口径为25米。

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1956年,德文格洛射电望远镜落成仪式。| 来源:JAN OORT, ASTRONOMER, Leiden University Library, Leiden 2000

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德文格洛射电望远镜的天线的全景。| 来源:Paul van Galen

在射电望远镜建成后,奥尔特与范得胡斯特等人合作,用射电望远镜扫描了银河系内的21厘米谱线发射区。这些氢分子云几乎不发出可见光;即使发出少量可见光,也会被自身遮挡住。但它们发出的21厘米谱线却畅通无阻,成为天文学家确认与研究它们的重要工具。1958年,奥尔特与合作者一起获得银河系的第一张21厘米谱线扫描图。

作为大师眼中的大师,奥尔特的人生是怎样的?

奥尔特与合作者绘制出的银河系射电辐射分布图。|来源:Oort, Westerhout, Kerr MNRAS,1958,18,3797

奥尔特与合作者在银河系射电观测方面的一系列工作非常重要:他们发现了银河系内众多中性氢区域,确定出银河系内的旋臂结构,确定了银河系中心的位置,发现大量氢分子云正在快速地从中心向外运动。他们还在这些氢云中发现了众多恒星。此前,奥尔特已经从理论上预言银河系的旋臂中富含氢分子云、这些分子云会孕育众多恒星,这些观测证明奥尔特此前的理论研究是正确的。

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哈勃空间望远镜拍摄的小麦哲伦云星系中的恒星形成星云NGC 602以及其中刚形成不久的恒星构成的星团。恒星吹出的星风在星云中吹出了一个空腔。图中的一些星系比这团星云远得多。| 来源:NASA,ESA,the Hubble Heritage Team

彗星与奥尔特云

在奥尔特致力于射电天文学的同时,他还研究了彗星的起源。1950年,他提出一个猜想:在距离地球非常遥远的地方有一个球壳结构,里面充满了各类寒冷的小天体。这就是著名的“奥尔特云”。

这个猜想并非奥尔特首先提出。早在1932年,爱沙尼亚天文学家恩斯特·奥匹克(Ernst ?pik,1893-1985)就猜测:长周期的彗星可能来自于太阳系边缘一个地方。奥尔特当时不知道奥匹克的工作,所以又独立提出了这个假设。因此,奥尔特云也被称为“奥匹克-奥尔特云”。

为便于描述奥尔特云的距离,我们必须介绍一个单位:天文单位。地球与太阳的平均距离被定义为一天文单位,约为1.5亿千米。奥尔特云与太阳的距离约为2万到5万天文单位,远远超过地球与太阳的平均距离。

奥尔特云中的天体的主要成分是冰、甲烷、乙烷等。现在的一些研究估计,奥尔特云中含有的直径超过1千米的天体可能有一万亿颗,直径超过20千米的天体可能有几十亿颗。这些天体之间的平均距离达到几千万千米——作为对比,地球与太阳之间的平均距离大约为1.5亿千米。这些天体的质量总和大约是地球质量的5倍。

天文学家猜测,奥尔特云本来是46亿年前太阳系刚形成时就产生的行星胚胎——“星子”。这些星子由众多尘埃逐渐合并而成。星子形成后,有些星子继续合并成大行星,有些星子还没来得及继续合并就因为受到先形成的大行星的引力作用被弹射出太阳系——引力弹弓效应。这些被弹出去的星子又受到太阳周围的恒星或分子云的引力影响,最终停留在远离太阳的地方,依然受到太阳的引力约束,构成了奥尔特云。

如果奥尔特云中的星子受到力的扰动,就有可能朝着太阳的方向运动,形成长周期彗星。奥尔特认为,一些周期不是非常长的彗星也可能来自奥尔特云,哈雷彗星就是其中一个例子。它可能本来是周期非常长的彗星,但在偶然经过某颗大行星附近时受到引力扰动,轨道改变,成为一颗周期大约76年的彗星。

说到哈雷彗星,顺便说个趣事:很少有人能够在一生中看到两次哈雷彗星,但奥尔特却做到了。前面已经提过,1910年,10岁的奥尔特第一次看到回归的哈雷彗星;1986年,86岁高龄的奥尔特第二次看到哈雷彗星。

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1986年4月8日与9日被拍摄到的哈雷彗星的叠加合成图。| 来源:Kuiper Airborne Observatory

涉猎广泛的一代宗师

除了恒星动力学、银河系结构、暗物质、射电天文学与彗星起源等重要问题之外,奥尔特还研究过其他多个领域。

比如,他在1939年出国访学期间,与著名天文学家尼古拉斯·梅耶尔(Nicholas Mayall,1906-1993)合作,研究了蟹状星云的辐射起源。他们发现那些辐射是“偏振”的,因此可能来自同步辐射,这证实了苏联天文学家约希夫·雪可夫斯基(Iosif Shklovsky,1916-1985)此前的猜测。

再如,他于1951年到普林斯顿大学时,与著名天文学家莱曼·斯皮泽(Lyman Spitzer,1914-1997)合作研究了炽热的大质量恒星对周围分子云的加速作用。

又如,他在1957年改进了沃尔特·巴德(Walter Baade?,1893-1960)对恒星星族的分类,对恒星物理性质的研究做出贡献。

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1961年,奥尔特站在莱顿大学天文台的一张海报面前,海报里的星系是M81。| 来源:Joop van Bilsen

1970年,奥尔特从莱顿大学天文台台长位置退休。退休之后,他开始研究超星系团、类星体的吸收线、银河系、河外星系及其分布规律。

除了沉迷科学研究之外,他还对艺术有浓烈兴趣。每次外出旅行,总会脱离队伍,独自去当地的博物馆或展览馆游览。在他50多岁时,他甚至在莱顿大学艺术中心的绘画艺术委员会当过几年主席,组织过几次展览。

奥尔特独自进行的、领衔与参与的多个研究,促使荷兰成为二战之后天文学研究的前沿阵地。由于其贡献突出,奥尔特获得多个重要奖项,如:1942年的布鲁斯奖、1946年的英国皇家天文学会金奖、1946年法国科学院的詹森奖(Janssen Medal)、1951年的亨利·罗素讲席(Henry Norris Russell Lectureship)、1966年的维特勒森奖(Vetlesen Prize)、1967年的央斯基奖(Jansky Prize)、1972年的卡尔·史瓦西奖(Karl Schwarzschild Medal),等等。1691号小行星被命名为奥尔特小行星。

值得一提的是,奥尔特的亲人中不止一人从事学术研究。他与妻子生了两个儿子与一个女儿,其中一个儿子后来成为普林斯顿大学的气候学教授。他弟弟约翰·奥尔特(John Oort)则在后来成为瓦赫宁根大学的植物学教授,研究植物疾病有关的课题。

1992年11月5日,奥尔特逝世,享年92岁。一直到去世前不久,他还在孜孜不倦地研究星系有关的课题。虽然奥尔特一生中做出了多个突破性的贡献,但他并不恃才傲物,行为也不怪异;他为人亲切,衣着得体,彬彬有礼。同事与学生都喜爱这个瘦高有礼的天文学巨人。

得知奥尔特逝世的消息后,天体物理学大师、1983年诺贝尔物理学奖得主钱德拉塞卡(Subrahmanyan Chandrasekhar,1910-1995)评论道:“天文巨树,轰然倾倒,失其荫蔽,我们迷失。”(原文:The great oak of Astronomy has been felled, and we are lost without its shadow.)第二年,陪伴他一生的妻子也与世长辞,享年87岁。

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奥尔特当年出生的房子的墙上挂的纪念牌,牌子下方画着银河系的结构图,作为其工作的代表。| 来源:Wrongfilter

作者简介

王善钦,2018年获得南京大学天文学博士学位,2016-2018年访问加州大学伯克利分校,主要研究超新星爆发等现象,业余也研究科学史。

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