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发表于 2022-8-1 19:01
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被软禁后的惊喜
1941 年 12 月 7 日,日军偷袭珍珠港,美国对日本宣战。四天后,日本的同盟德国向美国宣战。巴德来自德国,虽然不至于像当地的日本侨民那样被投入集中营,但出行也受到一定限制:除了去上班之外,不能离开住所周围5英里以外。
1942 年 4 月,军方对德国侨民发布宵禁令,禁止他们在晚上 8 点到早上 6 点之间离开住处。这个禁令导致住在帕萨迪纳的巴德无法前往威尔逊天文台执行观测。
台长亚当斯等人立即出面,写信为巴德求情、担保,并于 5 月让赫马逊(Milton Humason,1891-1972)陪同巴德一起去见宪兵司令,让赫马逊为巴德担保。赫马逊向宪兵司令保证:巴德不会协助德国刺探军事机密。宪兵司令因此准许巴德夜间去天文台。这个事情只浪费了巴德一个月时间。
战争时期,威尔逊天文台的天文学家们因参与军方项目纷纷离开天文台。特别是,1942 年 6 月,哈勃也离开了天文台。巴德没有资格接触任何军方项目与消息,更不可能参与军方项目,就继续在天文台工作。
经历短暂苦闷时期之后的巴德第二次因祸得福:由于多位同事尤其是哈勃离开天文台,巴德能够使用胡克望远镜的时间大大增加,而且几乎可以无限制使用。
另一个让巴德心花怒放的惊喜是:为避免西海岸附近的船只被日军轰炸,天文台附近的城市要服从灯光管制命令。因此,威尔逊山附近的光污染大大减轻,观测条件比刚建台时更好,巴德甚至可以用胡克望远镜分辨出仙女星系中心附近的大量恒星。作为对比,此前哈勃等人只能分辨出仙女星系边缘的明亮恒星。
此外,巴德还使用了对红光比较敏感的照相底版,这有利于他发现那些偏红色的恒星。
巴德仔细观测了仙女星系核心区域、M32(NGC 221)与 M110(NGC 205)中的众多恒星。[31]经过对照相底版的分析之后,巴德发现:星系中的恒星可以分为两种类型,一类主要位于星系的旋臂中,颜色偏蓝色,是年轻恒星;另一类主要在星系中心区与球状星团中,颜色偏红,是年老恒星。
图:仙女星系 M31、M32(在图中的M31核心左上方)与 M110(在图中的M31核心下方)的图像。图源:[32]
巴德将这两类恒星分别称为“星族 I 恒星”与“星族 II 恒星”。巴德长年研究的天琴座 RR 型变星以及位于球状星团内的其他恒星就属于星族 II 恒星。
这个重大发现于 1944 年发表后,当时所有研究恒星的天文学家都意识到:这个天文学的核心领域已经被巴德彻底重塑了。[注6]从那时候开始到现在,巴德的这个伟大发现一直被写入不断更新的教科书中,成为天文学的基础之一。巴德也因此成为名垂天文学史的一代宗师。
1945 年秋,巴德观测银河系中心附近的一片尘埃相对稀少的区域,以寻找其中的天琴座 RR 型变星。这片区域被后人称为“巴德窗”(Baade's Window)。巴德很快就在那里确认出大量天琴座 RR 型变星,其中 152 颗由前 10 张照相底版的对比中得到。这批天琴座 RR 型变星的数量是此前总数的好几倍。
图:巴德窗在银河的位置(左,浅黄色的“Baade's Window”所在的区域)以及 32 英寸(81 厘米)的 Schulman 望远镜上的相机拍摄的巴德窗内的两个球状星团(NGC 6522,图中右上;GC 6528,图中左下)与周围的众多恒星(右)。图源:参考文献[33](左);参考文献[34](右)
巴德使用这些变星确定出巴德窗内的球状星团 NGC 6522(见上图)的距离,这个星团因此也被称为“巴德星团”(Baade's Cluster)。
破解宇宙年龄难题
二战结束后,巴德一直在等着使用帕洛玛(Palomar)天文台上的 200 英寸(508 厘米)望远镜。它 1928 年就开始被筹备,但因为工程浩大、二战影响,直到那时候尚未彻底完成。
巴德盼望这个望远镜的原因之一是:他与哈勃此前就已经意识到仙女星系中的“造父变星”很可能存在不同的类型,那些位于球状星团中的造父变星与其他造父变星可能很不相同;他已经用胡克望远镜在仙女星系中发现了几颗属于星族 II 的造父变星,但他需要更强的望远镜来观测仙女星系中更多得多的造父变星,来验证这个想法。
1948 年,200 英寸望远镜终于启动。它被命名为海耳(Hale)望远镜,或 P200。它的口径是胡克望远镜的 2 倍。巴德凭借此前的出色工作,成为海耳望远镜的主要使用者之一。
图:海耳望远镜。图源:参考文献[35]
他先用这台望远镜寻找仙女星系的天琴座 RR 型变星。然而他一无所获。如果仙女星系的距离是正确的,在当时的技术下,用 200 英寸望远镜可以看到它们[注7]。巴德没有找到它们,就意味仙女星系的距离被低估。这也意味着它里面的造父变星的亮度被低估。
从 1950 年秋天开始,巴德用海耳望远镜确认出仙女星系分中的 300 多颗造父变星。经过仔细分析之后,巴德证实了此前的猜测:造父变星确实也有两类,它们分别属于星族 I 与星族 II 。[36][注8]第一类造父变星的亮度是第二类造父变星的亮度的 4 倍左右。
哈勃当年观测到的仙女星系中的造父变星属于第一类,但他将其当作第二类,从而将它的真实亮度低估到真实亮度的 1/4 ,进而将仙女星系的距离低估了一半。
图:1950 年,赫马逊、哈勃、巴德与闵可夫斯基(Rudolph Minkowski,1895-1976)(从左到右)在检查望远镜的照相底版。图源:参考文献[37]
巴德将哈勃的这个错误改正后,算出的仙女星系变为约 190 万光年[36],是此前距离的 2 倍。哈勃常数也因此降了一半,宇宙年龄增加 1 倍,终于超过了地球年龄。宇宙年龄难题就这样被解决了。
由于他将宇宙年龄与“大小”扩大到原来的 2 倍,从而挽救了相信宇宙膨胀学说的天文学家的信心,他成为当时的宇宙“二救”。
巴德没有立即发表这个重要结果,而是在 1952 年的国际天文学会年会上宣布了它。当时沙普利也在场,但他对巴德的结果表示怀疑。令巴德无比震惊的是:沙普利于 1953 年突然对媒体宣布自己将宇宙的距离扩大了一倍,而且只字不提巴德的贡献。一向温和的巴德大怒,严厉谴责沙普利,说他是无耻之徒。幸运的是,天文圈内都承认了巴德的优先权。[2]
后来,巴德指导的博士研究生桑德奇(Allan Rex Sandage,1926-2010)继续研究,将比例常数降低到 70 左右,因此得到的宇宙年龄为 100 多亿年。
明确区分出两类造父变星,不仅解决了宇宙年龄难题,更保证了大量后续研究的可靠性,对于此后的天体测距与宇宙学的研究起到了决定性的作用。
科学巨星的陨落
因为多方面的重要贡献,巴德先后获得了英国皇家天文学会金质奖章(1954)、布鲁斯奖(1955)与亨利·诺里斯·罗素讲席(1958)。
1958 年,巴德退休。此后,巴德应邀访问了哈佛大学、普林斯顿高等研究院、澳大利亚国立大学天文台等机构,然后回到哥廷根大学,担任“高斯教授”。
退休后的几次访问消耗了他的体力,也使其髋关节疾病恶化。回到德国后,巴德脊椎长出的骨刺压迫了神经,身受剧痛折磨。到 1959 年底,他已无法坐、站、写字……为缓解疼痛,他只能趴在床上。[2]
1960 年 1 月 27 日,巴德在德国最好的医院之一做了个大手术。手术自身是成功的。但手术后,他必须趴着。在趴着那几个月,他的恢复很缓慢。经过几乎整整五个月,医生才允许巴德坐轮椅,但每次只能坐几分钟。[2]
1960 年 6 月 25 日,手术后第三次坐上轮椅的巴德突然瘫倒,随即逝世,享年 67 岁。近 5 个月时间趴在床上,破坏了巴德的循环系统,最终血液里可能形成的血栓夺走了这位科学巨人的生命。[2]
他的妻子 Muschi 则于 1988 年 8 月 31 日,于她的 95 岁生日的前一天在护理院逝世。[2]
20 世纪最重要的天文学家之一
除了上述的众多杰出成就之外,巴德还对射电源、超新星遗迹等方面的研究有重要贡献。纵观巴德辉煌的学术生涯——从太阳系内的小行星、彗星,到太阳系外的变星与普通恒星,再到超新星、超新星遗迹、射电源与宇宙——他凭借过人的能力与顽强的毅力,为人类认识宇宙万物以及宇宙自身做出了不可磨灭的重大贡献。
因为他的众多杰出成就,巴德被公认为 20 世纪最重要的天文学家之一。为了纪念他,月球上有了“巴德陨石坑”与“巴德谷”,小行星 1501 号被命名为“巴德小行星”,蟹状星云中间的脉冲星被命名为“巴德星”——因为巴德曾经对蟹状星云进行过详细观测,卡耐基协会设立在智利的两台口径为 6.5 米的麦哲伦(Magellan)望远镜之一被命名为“麦哲伦-巴德”(Magellan-Baade)望远镜。
图:夜空下的麦哲伦-巴德望远镜。图源:参考文献[38]
巴德小时候的一个女性玩伴在巴德成名后的 20 世纪 50 年代回忆他们六七岁时在一起玩耍的情形:那几个男孩总是喜欢自吹,最离谱的一次,他们甚至说将来要到月球去。[1]她以及巴德的其他玩伴自然不可能预测到:有那么一天,他们中的那个走起路来一跳一跳的残疾男孩的姓名真的上了月球。
图:月球上的巴德陨石坑。图源:参考文献[39]
先天残疾且被腿疾折磨了一辈子,这位科学界“二舅”是不幸的。在自己成长与成才的道路上,得到了众多长辈与同辈的赏识与帮助,这位科学界“二舅”又是幸运的。
巴德的成功不仅因为才智和努力,也因为别人的及时帮助。哪怕是后来伤害了他的沙普利,在他年轻时也大力提携过他;至于直到去世都呵护、帮助他的亚当斯以及在他离开德国后依然对他关爱有加的肖尔,更是巴德这千里马的无私的伯乐。
图:在巴德出生的城市的博物馆里的巴德的纪念牌。图源:参考文献[40]
科学界“二舅”——巴德的故事为我们重复了一遍显然正确的道理:要摆脱苦难,自身的努力与别人的及时帮助同样重要。祝愿天下的“二舅”们与所有正在遭受其他苦难的人都能在自己的努力和别人的帮助下走出苦难,享受成功与幸福的甘甜。
文末问答
问:“为什么亚当斯这么欣赏巴德啊?除了巴德的才能与性格之外,难道就没有其他原因了吗?”
答:“其他原因大概是他们都名为沃尔特(Walter)吧……”
注释
[注1]在明斯特大学和哥廷根大学期间,巴德都告诉父亲,他在学习神学、数学、物理学和天文学。实际上,他根本没有选神学课程,而是学习了数学、物理学、地球物理学与天文学的相关课程。他说自己学了神学,只是安抚父亲。
[注2]CIS 的办公机构位于华盛顿特区,其官方名称是卡耐基华盛顿协会(Carnegie Institution of Washington)。
[注3]汉堡大学于 1825 在汉堡被建立,于 1912 被搬迁到贝格多夫,但未改名。
[注4]按照当时的惯例,只能用古希腊神话中的女神或女性给小行星命名(仅有极少数为男神)。实际上,Hidalgo 944 也没有遵循这个惯例,Hidalgo 是墨西哥国父米克尔·伊达尔哥·科斯蒂亚(Miguel Hidalgo Costilla,1753-1811)。1923 年,德国天文学家被准许到墨西哥观测日全食。为了表示对墨西哥的感谢,经墨西哥总统批准后,将这颗小行星命名为“Hidalgo 944”。
[注5]原文:[c]ertainly……need not be taken as a precedent for the future 。
[注6]虽然,正如巴德自己所说,奥尔特(Jan Hendrik Oort,1900-1992)早在 1926 年时就提出了这个想法。但巴德却用丰富的观测完全建立起可靠的分类。
[注7]能够观测到一定亮度的天体,不仅与望远镜口径和曝光时间有关,还与不同时代的技术有关。巴德用 5 米口径的望远镜没有发现仙女星系内的天琴座 RR 型变星,但在 20 世纪 80 年代,Pritchet 与 van den Bergh用4米口径的“加拿大-法兰西-夏威夷望远镜”观测到了仙女星系中的天琴座 RR 型变星。
[注8]第一类是相对大质量的恒星,其亮度变化周期较长,它们被归类为 I 型造父变星,也被称为“经典造父变星”。第二类是小质量恒星,其亮度变化周期较短,它们被归类为 II 型造父变星。
参考文献&图片来源
[1]https://www.astronomie.de/astronomische-fachgebiete/geschichte/walter-baade/
[2](a)Osterbrock, D. E. Walter Baade, Observational Astrophysicist, (1): The Preparation 1893-1931, 1995, JHA, 26, 1; (b) Osterbrock, D. E. Walter Baade, Observational Astrophysicist, (2): Mount Wilson 1931-1947, 1996, JHA, 27, 301; (c) Osterbrock, D. E. Walter Baade, Observational Astrophysicist, (3): Palomar and Gottengen 1948-1969 (Part A), 1997, JHA, 28, 283; (d) Osterbrock, D. E. Walter Baade, observational astrophysicist, (3): Palomar and Gottingen 1948 - 1960 (Part B).
[3]Percival Lowell - Lowell Obsrvatory, publ. 1910
[4]Professor Edward Emerson Barnard at Yerkes Observatory, in Williams Bay, Wisconsin. - Published in the New York Times on July 3, 1910.
[5]American Journal of Mathematics, 29(1)
[6]Gebruder Noelle (m. 1917, attivo a Gottingen) - Archivio storico dell'Accademia delle Scienze
[7]Liber Amicorum H.G. van de Sande Bakhuyzen (1908)
[8]Niedersachsische Staats - und Universitatsbibliothek Gottingen
[9]Popular Science Monthly Volume 76
[10]Georgia State University
[11]Leuband (Diskussion)
[12]Max Liebermann
[13]Astronomical Institute of the Charles University: Josef Durech, Vojtech Sidorin - DAMIT – Database of Asteroid Models from Inversion Techniques: for (1036) Ganymed
[14]Sloan Digital Sky Survey
[15]NASA, ESA, M. Robberto (Space Telescope Science Institute/ESA) and the Hubble Space Telescope Orion Treasury Project Team
[16]National Academy of Sciences – Annie J. Cannon - National Academy of Sciences Biographical Memoir of Solon Irving Bailey (1854–1931), Annie J. Cannon, National Academy of Sciences, Volume XV – sixth memoir, p. 2, 1932
[17] Armagh Observatory
[18]Yerkes Observatory Photography
[19]http://phys-astro.sonoma.edu/brucemedalists/walter-adams
[20] The Observatories of the Carnegie Institution for Science Collection at the Huntington Library, San Marino, California
[21]Hubble, E. A Relation between Distance and Radial Velocity among Extra-Galactic Nebulae, 1929, PNAS, 15, 168
[22]https://stats.areppim.com/calc/calc_usdlrxdeflator.php
[23]https://www.mtwilson.edu/mount-wilson-astronomers-2/
[24]Baade, W., Zwicky, F. On Super-novae, 1934, PNAS, 20, 254
[25]Baade, W., Zwicky, F. Cosmic Rays from Super-novae, 1934, PNAS, 20, 259
[26]Baade, W., Zwicky, F. Remarks on Super-Novae and Cosmic Rays, 1934, PhRv, 46, 76
[27]Baade, W. The Absolute Photographic Magnitude of Supernovae, 1938, ApJ, 88, 285
[28]Riess, A. G. , et al. Observational Evidence from Supernovae for an Accelerating Universe and a Cosmological Constant, 1998, AJ, 116, 1009
[29]Perlmutter, S., et al. Measurements of Ω and Λ from 42 High-Redshift Supernovae, 1999, ApJ, 517, 565
[30] ESO
[31]Baade, W. The resolution of Messier 32, NGC 205, and the central region of the Andromeda nebula, 1944, ApJ, 100, 137
[32]Robert Gendler (2008)
[33]NASA, ESA, Z. Levay (STScI) and A. Fujii
[34]Adam Block/Mount Lemmon SkyCenter/University of Arizona
[35]Palomar/Caltech
[36]Baade, W. The period-luminosity relation of the Cepheids, 1956, PASP, 68, 5
[37]Hamburg Observatory
[38]https://obs.carnegiescience.edu/Magellan
[39]James Stuby based on NASA image - Reprocessed Lunar Orbiter 4 image cropped in Gimp to show Baade crater and surrounding terrain.
[40]Grunswiki |
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