大師眼中的大師——天文學泰斗奧爾特_風聞
返朴-返朴官方账号-关注返朴（ID：fanpu2019）,阅读更多！2020-04-30 14:58
很多人知道天文學家奧爾特的名字，或許是因為部分彗星的可能起源地——“奧爾特雲”。而實際上，身在銀河系中的我們能夠 “看到”包裹着銀河系的銀暈、銀河系的旋臂結構以及其中的暗物質，都要感謝這些領域的先驅奧爾特的貢獻。
在奧爾特去世時，另一位天文學大師錢德拉塞卡傷心、失落，並將奧爾特比作天文學的參天大樹。那麼，作為大師眼中的大師，奧爾特的人生是怎樣的？這位天文學泰斗又有着怎樣的迷人風采？
撰文 | 王善欽
在古代的中國與歐洲，都記載了大量快速移動的天體，它們大多數拖着長長的 “尾巴”——這就是彗星。為了解釋彗星的一些觀測性質，著名天文學家簡·亨德里克·奧爾特（Jan Hendrik Oort）猜測有一些彗星來自非常遙遠的區域，這個理論上提出的區域被後來的天文學家稱為“奧爾特雲”。許多人或許以為奧爾特這輩子最重要甚至唯一的成就就是提出“奧爾特雲”這個假説。然而，事實並非如此。
彗星起源只是奧爾特的眾多研究領域之一，而且不是他一生中最重要的成就。奧爾特是銀河系結構、銀河系內恆星動力學、暗物質、射電天文學等領域的重要先驅；在這些領域，他做出的成就都比“奧爾特雲”重要。當然，這些領域是有交叉的，比如他研究銀河系結構的主要手段之一是用射電天文學。
奧爾特在這些領域的多個重要貢獻幫助荷蘭的天文學在二戰之後站到了世界前列。也因為他的多個重要成就，他在55歲時就被列為“在世的最著名的100人之一”，並被公認為“二十世紀最偉大的天文學家之一”、“二十世紀最重要的宇宙探索者之一”。
2020年4月28日是奧爾特120年誕辰，我們通過這篇文章來講講奧爾特的故事。
師出名門奧爾特於1900年4月28日出生於荷蘭的弗里斯蘭（Friesland）省的小鎮弗蘭尼克（Franeker），成為醫生赫曼紐斯·奧爾特（Hermanus Oort）與露絲·漢娜·法伯爾（Ruth Hannah Faber）的第二個兒子。他有一個哥哥，在他讀書時因為疾病早夭；他父親還為他生了一個弟弟與兩個妹妹。
3歲時，奧爾特隨父母搬到萊頓（Leiden）附近的烏斯吉斯特（Oegstgeest）。奧爾特的父親在那裏開了一家精神病診所，併成為一家精神疾病患者療養院的醫學主任。奧爾特一家住在療養院提供的主任住房。住房附近就是一片小森林，環境宜人。
奧爾特的小學與中學分別在烏斯吉斯特與萊頓完成。在讀中學時，他開始對科學與天文感興趣，他猜測這是由於自己閲讀了著名科幻小説作家儒勒·凡爾納（Jules Verne, 1828-1905）的作品。但事實上在10歲時，他就與天文有了聯繫：那一年，他觀看了轟動世界的哈雷彗星迴歸。
17歲時，奧爾特進入格羅寧根大學。此時，荷蘭著名天文學家雅克布斯·卡普坦（Jacobus Kapteyn，1851-1922）正在這所大學任教，這也是奧爾特選擇這所大學的部分原因。卡普坦對銀河系結構與恆星都有深入研究，並因此獲得1902年的英國皇家天文學會金獎、1913年的布魯斯獎（Bruce Medal）與1913年的瓦特森獎（Wotson Medal）。卡普坦去世之後，月球上一座環形山被命名為“卡普坦環形山”，818號小行星被命名為“卡普坦小行星”，還有一顆恆星被命名為“卡普坦星”。從這些榮譽中，可以想象得出卡普坦晚年時的名望。
在剛進入大學時，奧爾特無法決定自己該選擇物理還是天文作為主修課程。在聽了卡普坦開設的《基礎天文學》之後，他被卡普坦教授富有感染力的講課風格與人格魅力所折服，決定選擇天文。大學三年級時，奧爾特就進入卡普坦教授的小組做研究。
1921年，21歲的奧爾特大學畢業，留校成為助教。第二年，他前往耶魯大學，擔任耶魯天文台一位教授的助理。在耶魯的日子雖然有些孤寂，但他還是結交到不少好友，而且也參加了一些重要的會議，開闊了自己的視野。
銀河系結構、恆星運動與暗物質1924年，奧爾特回到荷蘭，成為萊頓大學的一位研究助理。這一年，24歲的奧爾特發現了“銀暈”，它是球形的物質團，包裹着盤狀的銀河系。銀暈裏面分佈着眾多年老的星團與恆星，它們都繞着銀河系中心旋轉。可能奧爾特自己當時都沒有意識到這個發現有多重要：後來的研究表明，銀暈看似空蕩蕩，但卻含有大量暗物質，其質量達到了銀河系內發光物質的7到30多倍。
1926年，奧爾特獲得格羅寧根大學的博士學位，其博士學位的研究課題是銀河系內高速運動恆星的性質。第二年，奧爾特與小他6歲的約翰娜·範·羅根（Johanna van Roggen）結婚。奧爾特此前在他弟弟就讀的烏特勒支大學參加一次典禮時認識了約翰娜。
同樣在1927年，瑞典天文學家貝蒂爾·林德布拉德（Bertil Lindblad，1895-1965）從理論角度提出：銀河系內，越往外的恆星運動越慢，這些恆星繞銀河系中心轉動一週所用的時間也不同。換句話説，銀河系內的眾多恆星不是作為一個整體在自轉，而是各自繞着銀河系中心旋轉。
萊頓大學天文台台長、著名數學家、物理學家與天文學家威廉·德西特（Willem de Sitter，1872-1934）首先告訴奧爾特這個理論進展。奧爾特相信林德布拉德的猜測，並認為這個猜測可以通過觀測來證實。
奧爾特擅長將研究中要用的數學與物理簡化。為描述銀河系內恆星的運動，他推導出了兩個公式，裏面的兩個常數被稱為“奧爾特常數”。利用自己推導出的公式與一些恆星運動的數據，奧爾特計算出太陽與銀河系中心的距離大約是2萬光年；他的計算還表明，太陽每2億年繞銀河系的中心轉一圈。
必須提及的是，此前威爾遜天文台的天文學家哈羅·沙普利（Harlow Shapley，1885-1972）已經通過對球狀星團中的造父變星的測量，確定出太陽位於銀河系邊緣，而不位於銀河系中心。奧爾特並不是第一認識到太陽位於銀河系邊緣的人，但他是最早探索出太陽與其他恆星的動力學規律的人之一。
1932年，奧爾特發現“銀面”的質量超過可見物質的質量，因此斷言銀河系內含有相當數量不發光的物質，這使他成為暗物質研究的先驅之一，比茲威基（Fritz Zwicky，1898-1974）發現後發星系團中含有暗物質還早1年。當時他還不知道，他在8年前首先發現的銀暈裏含有更多暗物質。
1934年，奧爾特成為萊頓大學天文台的台長助理；同年，擔任了15年台長的德西特去世。在此期間，哈佛大學與哥倫比亞大學都向已經聲名鵲起的他伸出了橄欖枝，但奧爾特還是決定留在荷蘭。1935年，奧爾特成為萊頓大學特聘教授與國際天文聯合會的秘書長。1938年，奧爾特研究了太陽附近的恆星分佈，發現了銀河系的旋臂結構。
射電天文學的先驅1940年，納粹德國佔領荷蘭，萊頓大學許多猶太血統的教授被解僱。奧爾特雖未被解聘，但拒絕與納粹德國合作，因此毅然辭去了大學、天文台與科學院裏的一切職位，來到格爾德蘭（Gelderland）省的一個安靜的農村。
在二戰結束之前的這段時間，奧爾特除了寫一本恆星動力學的書之外，還對射電天文學產生濃厚興趣。早在1931年到1932年，卡爾·央斯基（Karl Jansky，1905-1950）就用自制的天線發現了來自地球之外的射電波；1938年，格羅特·雷伯（Grote Reber，1911-2002）用自制的射電望遠鏡確認了央斯基的發現，並在1941年用這個望遠鏡掃描全天，不僅成為射電天文學的先驅之一，也成為射電巡天的開山祖師。
雷伯的發現使奧爾特認識到射電天文學的重要性，也使其認識到用射電望遠鏡掃描銀河系的必要性。奧爾特因此成為最早認識到射電天文重要性的少數天文學家之一。他敏鋭地意識到，觀測銀河系發出的射電輻射，是研究銀河系盤內物質的非常重要的手段，因為這些射電輻射很容易地到達地球，幾乎不被稠密的分子云吸收。
1944年，另一個年輕人嶄露頭角。還在烏特勒支大學讀博士研究生的亨德里克·範得胡斯特（Hendrik van de Hulst，1918-2000）首先提出：銀河系中的中性氫會發出21釐米譜線。
中性氫為何會發射21釐米譜線呢？我們知道，氫原子內只有一個質子與一個電子。質子與電子都有自旋，類似於太陽或地球的自轉——實際上自旋是量子效應，不能與經典力學簡單地比較，此處的類比只是為了便於理解。質子與電子的自旋都會產生磁矩，二者的磁矩方向相同時，電子的能量低；二者的磁矩方向相反時，電子的能量高。當電子的磁矩方向從與質子磁矩方向相反變為與質子磁矩方向一致時，就會發射出一個光子，其波長為21釐米。波長為21釐米的光子位於電磁波中的射電波段，要用射電望遠鏡來探測。
1945年，二戰結束，奧爾特於6月回到萊頓，成為萊頓大學正教授。這一年，著名天文學家赫茨普龍（Ejnar Hertzsprung，1873-1967）從萊頓天文台台長的位置退休，回到其祖國丹麥。奧爾特成為萊頓天文台的新一任台長。1951年，美國與澳大利亞的科學家幾乎同時發現了範得胡斯特預言的21釐米譜線。此後，奧爾特致力於爭取資金與人力來建造射電望遠鏡，並在1956年建成了當時世界上最大的德文格洛（Dwingeloo）射電望遠鏡，口徑為25米。
在射電望遠鏡建成後，奧爾特與範得胡斯特等人合作，用射電望遠鏡掃描了銀河系內的21釐米譜線發射區。這些氫分子云幾乎不發出可見光；即使發出少量可見光，也會被自身遮擋住。但它們發出的21釐米譜線卻暢通無阻，成為天文學家確認與研究它們的重要工具。1958年，奧爾特與合作者一起獲得銀河系的第一張21釐米譜線掃描圖。
奧爾特與合作者在銀河系射電觀測方面的一系列工作非常重要：他們發現了銀河系內眾多中性氫區域，確定出銀河系內的旋臂結構，確定了銀河系中心的位置，發現大量氫分子云正在快速地從中心向外運動。他們還在這些氫雲中發現了眾多恆星。此前，奧爾特已經從理論上預言銀河系的旋臂中富含氫分子云、這些分子云會孕育眾多恆星，這些觀測證明奧爾特此前的理論研究是正確的。
彗星與奧爾特雲在奧爾特致力於射電天文學的同時，他還研究了彗星的起源。1950年，他提出一個猜想：在距離地球非常遙遠的地方有一個球殼結構，裏面充滿了各類寒冷的小天體。這就是著名的“奧爾特雲”。
這個猜想並非奧爾特首先提出。早在1932年，愛沙尼亞天文學家恩斯特·奧匹克（Ernst Öpik，1893-1985）就猜測：長週期的彗星可能來自於太陽系邊緣一個地方。奧爾特當時不知道奧匹克的工作，所以又獨立提出了這個假設。因此，奧爾特雲也被稱為“奧匹克-奧爾特雲”。
為便於描述奧爾特雲的距離，我們必須介紹一個單位：天文單位。地球與太陽的平均距離被定義為一天文單位，約為1.5億千米。奧爾特雲與太陽的距離約為2萬到5萬天文單位，遠遠超過地球與太陽的平均距離。
奧爾特雲中的天體的主要成分是冰、甲烷、乙烷等。現在的一些研究估計，奧爾特雲中含有的直徑超過1千米的天體可能有一萬億顆，直徑超過20千米的天體可能有幾十億顆。這些天體之間的平均距離達到幾千萬千米——作為對比，地球與太陽之間的平均距離大約為1.5億千米。這些天體的質量總和大約是地球質量的5倍。
天文學家猜測，奧爾特雲本來是46億年前太陽系剛形成時就產生的行星胚胎——“星子”。這些星子由眾多塵埃逐漸合併而成。星子形成後，有些星子繼續合併成大行星，有些星子還沒來得及繼續合併就因為受到先形成的大行星的引力作用被彈射出太陽系——引力彈弓效應。這些被彈出去的星子又受到太陽周圍的恆星或分子云的引力影響，最終停留在遠離太陽的地方，依然受到太陽的引力約束，構成了奧爾特雲。
如果奧爾特雲中的星子受到力的擾動，就有可能朝着太陽的方向運動，形成長週期彗星。奧爾特認為，一些週期不是非常長的彗星也可能來自奧爾特雲，哈雷彗星就是其中一個例子。它可能本來是週期非常長的彗星，但在偶然經過某顆大行星附近時受到引力擾動，軌道改變，成為一顆週期大約76年的彗星。
説到哈雷彗星，順便説個趣事：很少有人能夠在一生中看到兩次哈雷彗星，但奧爾特卻做到了。前面已經提過，1910年，10歲的奧爾特第一次看到迴歸的哈雷彗星；1986年，86歲高齡的奧爾特第二次看到哈雷彗星。
涉獵廣泛的一代宗師除了恆星動力學、銀河系結構、暗物質、射電天文學與彗星起源等重要問題之外，奧爾特還研究過其他多個領域。
比如，他在1939年出國訪學期間，與著名天文學家尼古拉斯·梅耶爾（Nicholas Mayall，1906-1993）合作，研究了蟹狀星雲的輻射起源。他們發現那些輻射是“偏振”的，因此可能來自同步輻射，這證實了蘇聯天文學家約希夫·雪可夫斯基（Iosif Shklovsky，1916-1985）此前的猜測。
再如，他於1951年到普林斯頓大學時，與著名天文學家萊曼·斯皮澤（Lyman Spitzer，1914-1997）合作研究了熾熱的大質量恆星對周圍分子云的加速作用。
又如，他在1957年改進了沃爾特·巴德（Walter Baade，1893-1960）對恆星星族的分類，對恆星物理性質的研究做出貢獻。
1970年，奧爾特從萊頓大學天文台台長位置退休。退休之後，他開始研究超星系團、類星體的吸收線、銀河系、河外星系及其分佈規律。
除了沉迷科學研究之外，他還對藝術有濃烈興趣。每次外出旅行，總會脱離隊伍，獨自去當地的博物館或展覽館遊覽。在他50多歲時，他甚至在萊頓大學藝術中心的繪畫藝術委員會當過幾年主席，組織過幾次展覽。
奧爾特獨自進行的、領銜與參與的多個研究，促使荷蘭成為二戰之後天文學研究的前沿陣地。由於其貢獻突出，奧爾特獲得多個重要獎項，如：1942年的布魯斯獎、1946年的英國皇家天文學會金獎、1946年法國科學院的詹森獎（Janssen Medal）、1951年的亨利·羅素講席（Henry Norris Russell Lectureship）、1966年的維特勒森獎（Vetlesen Prize）、1967年的央斯基獎（Jansky Prize）、1972年的卡爾·史瓦西獎（Karl Schwarzschild Medal），等等。1691號小行星被命名為奧爾特小行星。
值得一提的是，奧爾特的親人中不止一人從事學術研究。他與妻子生了兩個兒子與一個女兒，其中一個兒子後來成為普林斯頓大學的氣候學教授。他弟弟約翰·奧爾特（John Oort）則在後來成為瓦赫寧根大學的植物學教授，研究植物疾病有關的課題。
1992年11月5日，奧爾特逝世，享年92歲。一直到去世前不久，他還在孜孜不倦地研究星系有關的課題。雖然奧爾特一生中做出了多個突破性的貢獻，但他並不恃才傲物，行為也不怪異；他為人親切，衣着得體，彬彬有禮。同事與學生都喜愛這個瘦高有禮的天文學巨人。
得知奧爾特逝世的消息後，天體物理學大師、1983年諾貝爾物理學獎得主錢德拉塞卡（Subrahmanyan Chandrasekhar，1910-1995）評論道：“天文巨樹，轟然傾倒，失其廕庇，我們迷失。”（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與世長辭，享年87歲。
作者簡介
王善欽，2018年獲得南京大學天文學博士學位，2016-2018年訪問加州大學伯克利分校，主要研究超新星爆發等現象，業餘也研究科學史。
大師眼中的大師——天文學泰斗奧爾特
很多人知道天文學家奧爾特的名字，或許是因為部分彗星的可能起源地——“奧爾特雲”。而實際上，身在銀河系中的我們能夠 “看到”包裹着銀河系的銀暈、銀河系的旋臂結構以及其中的暗物質，都要感謝這些領域的先驅奧爾特的貢獻。
在奧爾特去世時，另一位天文學大師錢德拉塞卡傷心、失落，並將奧爾特比作天文學的參天大樹。那麼，作為大師眼中的大師，奧爾特的人生是怎樣的？這位天文學泰斗又有着怎樣的迷人風采？
撰文 | 王善欽
在古代的中國與歐洲，都記載了大量快速移動的天體，它們大多數拖着長長的 “尾巴”——這就是彗星。為了解釋彗星的一些觀測性質，著名天文學家簡·亨德里克·奧爾特（Jan Hendrik Oort）猜測有一些彗星來自非常遙遠的區域，這個理論上提出的區域被後來的天文學家稱為“奧爾特雲”。許多人或許以為奧爾特這輩子最重要甚至唯一的成就就是提出“奧爾特雲”這個假説。然而，事實並非如此。
彗星起源只是奧爾特的眾多研究領域之一，而且不是他一生中最重要的成就。奧爾特是銀河系結構、銀河系內恆星動力學、暗物質、射電天文學等領域的重要先驅；在這些領域，他做出的成就都比“奧爾特雲”重要。當然，這些領域是有交叉的，比如他研究銀河系結構的主要手段之一是用射電天文學。
奧爾特在這些領域的多個重要貢獻幫助荷蘭的天文學在二戰之後站到了世界前列。也因為他的多個重要成就，他在55歲時就被列為“在世的最著名的100人之一”，並被公認為“二十世紀最偉大的天文學家之一”、“二十世紀最重要的宇宙探索者之一”。
2020年4月28日是奧爾特120年誕辰，我們通過這篇文章來講講奧爾特的故事。
師出名門奧爾特於1900年4月28日出生於荷蘭的弗里斯蘭（Friesland）省的小鎮弗蘭尼克（Franeker），成為醫生赫曼紐斯·奧爾特（Hermanus Oort）與露絲·漢娜·法伯爾（Ruth Hannah Faber）的第二個兒子。他有一個哥哥，在他讀書時因為疾病早夭；他父親還為他生了一個弟弟與兩個妹妹。
3歲時，奧爾特隨父母搬到萊頓（Leiden）附近的烏斯吉斯特（Oegstgeest）。奧爾特的父親在那裏開了一家精神病診所，併成為一家精神疾病患者療養院的醫學主任。奧爾特一家住在療養院提供的主任住房。住房附近就是一片小森林，環境宜人。
奧爾特的小學與中學分別在烏斯吉斯特與萊頓完成。在讀中學時，他開始對科學與天文感興趣，他猜測這是由於自己閲讀了著名科幻小説作家儒勒·凡爾納（Jules Verne, 1828-1905）的作品。但事實上在10歲時，他就與天文有了聯繫：那一年，他觀看了轟動世界的哈雷彗星迴歸。
17歲時，奧爾特進入格羅寧根大學。此時，荷蘭著名天文學家雅克布斯·卡普坦（Jacobus Kapteyn，1851-1922）正在這所大學任教，這也是奧爾特選擇這所大學的部分原因。卡普坦對銀河系結構與恆星都有深入研究，並因此獲得1902年的英國皇家天文學會金獎、1913年的布魯斯獎（Bruce Medal）與1913年的瓦特森獎（Wotson Medal）。卡普坦去世之後，月球上一座環形山被命名為“卡普坦環形山”，818號小行星被命名為“卡普坦小行星”，還有一顆恆星被命名為“卡普坦星”。從這些榮譽中，可以想象得出卡普坦晚年時的名望。
在剛進入大學時，奧爾特無法決定自己該選擇物理還是天文作為主修課程。在聽了卡普坦開設的《基礎天文學》之後，他被卡普坦教授富有感染力的講課風格與人格魅力所折服，決定選擇天文。大學三年級時，奧爾特就進入卡普坦教授的小組做研究。
1921年，21歲的奧爾特大學畢業，留校成為助教。第二年，他前往耶魯大學，擔任耶魯天文台一位教授的助理。在耶魯的日子雖然有些孤寂，但他還是結交到不少好友，而且也參加了一些重要的會議，開闊了自己的視野。
銀河系結構、恆星運動與暗物質1924年，奧爾特回到荷蘭，成為萊頓大學的一位研究助理。這一年，24歲的奧爾特發現了“銀暈”，它是球形的物質團，包裹着盤狀的銀河系。銀暈裏面分佈着眾多年老的星團與恆星，它們都繞着銀河系中心旋轉。可能奧爾特自己當時都沒有意識到這個發現有多重要：後來的研究表明，銀暈看似空蕩蕩，但卻含有大量暗物質，其質量達到了銀河系內發光物質的7到30多倍。
1926年，奧爾特獲得格羅寧根大學的博士學位，其博士學位的研究課題是銀河系內高速運動恆星的性質。第二年，奧爾特與小他6歲的約翰娜·範·羅根（Johanna van Roggen）結婚。奧爾特此前在他弟弟就讀的烏特勒支大學參加一次典禮時認識了約翰娜。