弗里茨·兹威基

瑞士天文学家

弗里 茨 ·兹威基(Fritz Zwicky ),1898年2月14日出生于 保加利亚 的瓦尔纳, 瑞士 天文学家。 1920年兹威基毕业于瑞士的 苏黎世联邦理工学院 ,1922年在该校获得博士学位。 1925年前往 加州理工学院 ,1942年成为 天体物理学 教授。同时他也在威尔逊山天文台和帕洛马天文台工作。

简介

弗里茨·兹威基(Fritz Zwicky,1898年2月14日-1974年2月8日),瑞士 天文学 家,他的一生几乎都在加州理工学院工作,在理论和观测天文学上,包括 超新星 、 星系团 等方面做出了重要的贡献。

弗里茨·兹威基不同意 勒梅特 和 爱德文·哈勃 关于 星系 的 红移 起源于 宇宙 膨胀的解释,于1929年提出红移是由于 光子 在穿越宇宙到达 地球 时,由于 引力场 的存在,逐渐损失了能量而形成的,但是这种观点并不为大多数天文学家所接受。

1933年,兹威基在研究 后发星系团 时,首先应用维里定理得出结论认为存在不可见的物质,即现在所说的 暗物质 ,而这在当时并没有引起重视。1934年,他和同事 沃尔特·巴德 在《国家科学院学报》上发表文章,提出了“ 超新星 ”一词,用于描述正常 恒星 向 中子星 的转化过程,同时解释宇宙线的起源。这在当时是非常惊人的观点。1935年,在他和 巴德 的共同倡议和推动下,第一台 施密特望远镜 在帕洛马天文台建成,口径为45/65厘米。这台望远镜具有的非常大的视场,特别适合 中国空间站工程巡天望远镜 观测。兹威基用它在 河外星系 中寻找 超新星 。1935年到1940年期间,兹威基用它发现了14颗超新星,占1930年代人们发现的超新星总数的一多半。他还与当时同在威尔逊山天文台的 哈勃空间望远镜 、 沃尔特·巴德 、 鲁道夫·闵可夫斯基 等人合作,记录了大量 超新星 的观测资料。兹威基一生总共发现了122颗超新星,这一纪录直到2006年才被打破。

兹威基是 中子 发现初期少数认同存在 中子星 这一观点的科学家之一。1934年,他与 艾伦·J·巴德 共同发表文章称,中子简并压能够支持质量超过 钱德拉塞卡极限 的 恒星 。后来,兹威基将研究重心转移到了 星系团 方面,并于1961年到1968年编 了包含9314个星系团的星系和星系团总表(CGCG)。此外,他还于1937年提出了星系团可以作为 引力 透镜 的设想。

兹威基还倡导形态学的研究方法,著有《形态天文学》(Morphological 天文学 )等著作。

虽然兹威基一生大部分的时间在美国工作,但他一直保留了 瑞士 国籍。1974年2月8日,兹威基在美国 加利福尼亚州 的 帕萨迪纳 去世。为纪念他,第1803号 小行星 和月球上的一座环形山以他的名字命名。

学术成就

兹威基和他的同事 沃尔特·巴德 ,于1953年率先在天文台的最高峰上使用 施密特望远镜 。他亲手将巴纳德施密特抛光处理的镜片从 德国 带回来。在1943年,他和 巴德 提出 超新星 这个名词,并且假设它们是由普通的 恒星 转变成为 中子星 ,并且是宇宙线的来源。他有先见之明的洞察力,对之后几十年在 宇宙 年龄和大小的测量,有着深远的影响。

标准烛光

在1938年,兹威基的同事 沃尔特·巴德 建议使用超新星做为估计遥远深空距离的 标准烛光 ,因为 Ia超新星 显示一种共通的光度峰值。他们建立了众所周知的宇宙距离尺度的内禀光度。

重力透镜

在1937年,兹威基指出,以之前发现的 阿尔伯特·爱因斯坦 效应, 星系团 可以做为重力透镜。但直到1979年观测到被称为"双 类星体 "的Q0957+561,这种效应才获得证实。

发现暗物质

“暗物质”研究的最新进展和 中国 有关。 紫金山 天文台与国外同行合作,发现了一种物质,可能是“暗物质”粒子 湮灭 的产物。当2009国际天文年到来,从 天文学 研究到科幻故事,“暗物质”话题将更为科学家、普通天文爱好者所津津乐道,但在1933年,却几乎没有人愿意像弗里茨·兹威基一样,相信 宇宙 的大部分质量是人们看不到的。

如果要列出“20世纪最受冷落科学家”的名单,弗里茨·兹威基(Fritz Zwicky )肯定会排得靠前。尽管在宇宙学领域,他的位次可能紧跟 阿尔伯特·爱因斯坦 。在科学史上寻找这个 瑞士 天文学家,倒有点像在宇宙中间寻找他提出的“ 暗物质 ”——由于“暗物质”既不发散光,又不吸收光,也不反射光,人们根本看不见它。或许兹威基的想法超越了他的时代。但假如这个科学家的个性不那么古怪的话,不知道他的名字是否还会在70多年中被同僚无视。

“下落不明的质量”

20世纪, 天文学 的许多重大发现同位于 加利福尼亚州 的威尔逊山有关。在1917~1947年间,当时世界上最大的天文望远镜就在威尔逊山上,口径有100英寸,著名的爱德温? 哈勃空间望远镜 (EdwinP. Hubble )通过它观测到 星系 正离我们远去,提供出一幅 宇宙 膨胀的图像,暗示存在着一个“大爆炸”的时刻。兹威基觉得,那时的威尔逊山就是“宇宙的中心”。威尔逊山距离兹威基任职的 加州理工学院 (Caltech)不远,从学校操场就可以遥望这座山清晰的轮廓,这让他时常想起多山的 瑞士 老家。1925年,获得1922年 诺贝尔物理学奖 的 罗伯特·密立根 教授引荐他来到这里。换成别人一定会为教授的器重而感激和荣幸,然而兹威基对于这位推荐者的态度却很不屑,甚至当面指责密立根“从未提出过好的想法”。当密立根善意地提醒这个年轻人要先自我反省时,兹威基却宣称自己不必担心,因为“每隔两年就能蹦出好点子”。他这么说或许不完全是吹牛,在1933年,兹威基脑子里就冒出了“ 暗物质 ”的点子。

“遥远的 星系团 里有一些物质很独特,它们既不发光,也不吸收光、反射光……”兹威基的意思是, 宇宙 中存在你我看不到的物质,但它们有质量。事实上,暗物质不仅拥有质量,它的质量甚至是可见物质的6倍,占到宇宙物质成分的24%;另外72%是 暗能量 ,一种充溢宇宙空间的能量形式,同样不可见。在进入21世纪前,人们竟然被告知,可见的一切在茫茫宇宙的质量划分中都不能占到多数。“要承认我们宇宙超过90%都看不到多少有些尴尬”, 华盛顿大学 的教授布鲁斯·珈诺(BruceMargon)在《 纽约时报 》上说,“大自然在嘲笑人类,它把宇宙的绝大部分藏了起来。”

但兹威基还是找到了它。1933年的 美国经济 大萧条似乎同这个对星星着迷的35岁男人毫无关系,当时他把注意力完全放在了 后发星系团 (ComaCluster)上。这个 星系团 就在我们熟悉的 狮子座 附近,由1000个大星系、30000多个小星系组成。据说,得名自一个与埃及法老托勒密三世王后的头发有关的传说。对神话故事,兹威基当然不关心,他的忧虑在一堆写着密密麻麻数字、符号的算草纸上。

要测量星系团的质量,一般有两种方法。“ 动力学 质量”计算,需要的数据是各 星系 之间的相对速度和平均速度,而“ 光度学 质量”要求测量各星系的光度。兹威基分别利用这两种算法计算 后发星系团 的质量,结果不可思议:“动力学质量”是“光度学质量”的400倍!为什么后发座星系团有99%的质量“下落不明”?难道“动力学质量”中用到的 牛顿运动定律 不再适用?或者, 星系团 的主要质量并不是由可视的星系贡献的?兹威基用他那最具幻想力的头脑做出了以下推测: 宇宙 大部分质量不可见,因此光度方法测算不出。于是,有了“ 暗物质 ”一词。

似乎大多数人还是信奉“眼见为实”。在当时,“暗物质”这个概念被彻底忽略了。相反,兹威基本人的恶名倒比“暗物质”的名称传播得快。

“暗物质”带给兹威基的无奈在于它无法观测,但“ 超新星 ”不一样,一亿颗 太阳 的亮度不会被无视。1936年,兹威基说服 加州理工学院 ,在威尔逊山东南方的帕洛马天文台上建起了口径48英寸的 施密特望远镜 。人们可以大概猜出兹威基的目的:施密特望远镜比其他望远镜有更大的清晰视场,特别适合 中国空间站工程巡天望远镜 观测。比如,寻找 超新星 。施密特望远镜架在帕洛马天文台屋顶开口的下面,就像一门对准星空的白色 火炮 。兹威基已经习惯跟这个庞然大物在一起,当他一次次将眼睛对准 天文望远镜目镜 ,他所发现的“超新星”的数量也在增加。1935年到1940年之间,这个数字是14颗,占人们发现 超新星 总数的一多半。他一生中总共发现了122颗“超新星”,这一纪录直到2006年才有人打破。人们不禁疑惑,他在数星星这件事上表现出的执著会不会是“ 暗物质 ”那件事上压抑的一种释放。

主要贡献

兹威基的主要贡献是对 超新星 现象的研究。他曾在1934年和 沃尔特·巴德 一起确认 宇宙 中有比新星更激烈﹑释放能量更多﹑光变幅更大的灾变 天体 。例如﹐ 银河系 内1054年﹑1572年和1604年观测到的客星﹐ 仙女星系 中1885年出现的比典型新星亮一万倍的“新星”﹐他把它们定名为 超新星 。 室女星系团 照相 中国空间站工程巡天望远镜 搜索 河外星系 超新星。1936年在他的倡议下﹐美国帕洛马山天文台建成45/65厘米 施密特望远镜 ﹐这在当时是世界上威力最大的广角天体照相仪﹐立即将它投入河外星系巡视。到1941年为止﹐在兹威基主持下﹐用它发现18个 超新星 (同时还用100英寸望远镜发现了另一个超新星)﹐而前人总共只是偶然观测到12个。根据巡天观测﹐推算出平均每一个 河外星系 ﹐每三百年产生一次超新星爆发。这个爆发频率值在以后的四十年一直与观测资料相符。从三十年代起﹐兹威基每当发现一个河外星系超新星﹐即和威尔逊山天文台的 哈勃空间望远镜 ﹑ 沃尔特·巴德 ﹑R. 赫尔曼·闵可夫斯基 周密观测爆发过程中的光度和光谱﹐积累了大量资料。后来﹐他提出根据 光变曲线 ﹑ 谱线 特徵﹑膨胀速度等因素﹐将 超新星 分类。从1958年起他主持 120/180厘米 施密特望远镜 的遥远 星系团 超新星 中国空间站工程巡天望远镜 ﹐作为该台的常规科研项目﹐一直持续到逝世之后的1975年﹐共达18年。1959年他倡议并组织国际 超新星 联合观测o全世界先后有十多个天文台参加。他一生共发现超新星122个﹐占当时超新星总数的30%。

兹威基在 星系 方面也做了很多工作。他和沙普利曾分别发现星系成团倾向﹔他还认为星系之间有弥漫 星座 以及由气体和尘埃组成的云。

他认为 宇宙 物质的演化是沿著从稀到密和从密到稀两个方向进行的﹐ 超新星 爆发是双向演化的典型﹕一方面外部物质抛散到空间﹐另一方面内部物质收缩为致密 天体 。根据这思想﹐他 预言 应有 中子星 存在﹐还预言可能有整个星系核的大规模爆发。他一生倡导形态学研究方法﹐著有《形态学天文》以及大量关于超新星的论述。他主编《 星系 和 星系团 总表》六卷﹐《 致密星系 ﹑星系的致密部分﹑爆发星系和爆后星系表》。

大事记

1933发现 暗物质 。领先时代40年。

1934与Walter Baade发明"supernovae"这个词,并猜测其产物是中子星。后独立发现了120颗 超新星 。这个记录也许永远也破不了,因为虽说发现速度 指数增长 ,但基本不是一个人的事了。

1937提出 星系团 可用作 引力 透镜 。

1938与Walter Baade提出把超新星当作 标准烛光 来估计 宇宙 尺度的距离。

1943-1961 为Aerojet顾问,有50多专利包括 JATO。人称现代 喷气发动机 之父。

1942- 1968 Caltech教授。

1961-1968与人合编六大卷 星系 目录,其中的星系人称 Zwicky galaxies。

1969著书倡导天文中的形态分析。

参考资料