图:佚名,1947 / 苏黎世联邦理工图书馆(公有领域)
弗里茨·兹威基
Fritz Zwicky1898–1974 · 生于保加利亚瓦尔纳 · 瑞士 → 美国
三十年代就说出了暗物质、中子星、超新星和引力透镜,四样都被忽视
「他们是球形的混蛋——不管你从哪个方向看,都是混蛋。」
—— 对加州理工若干同事的评价,据同时代人多次转述
1933 年,一位三十五岁的瑞士人在一份地方性刊物上发表了一篇德文论文,指出后发座星系团里绝大部分物质是看不见的。
1934 年,他与巴德提出了「超新星」这个词,并断言这类爆发是普通恒星塌缩成一种全新天体——中子星——时释放的引力能。当时中子被发现才两年。
1937 年,他指出星系可以像透镜一样弯曲并放大背后天体的光。
这三件事分别在 1970 年代、1967 年和 1979 年被证实。而在提出之后的几十年里,它们基本无人理会。
为什么没人听
一部分原因是技术性的。1930 年代星系距离的测量误差极大,而位力定理要求体系已经达到引力平衡——这个前提在当时无法验证。兹威基算出的「缺失质量」高达几百倍,大到让人第一反应是他的距离标定错了。
另一部分原因是他本人。
兹威基以尖刻著称,而且是持续、公开、不加掩饰的尖刻。他把加州理工的一些同事称作「球形的混蛋」,解释说意思是不管从哪个方向看都是混蛋。他在自己编的星系表序言里点名嘲讽同行。他与巴德是长期合作者,据说后来巴德一度拒绝单独与他待在同一个房间。
结果是,一个说对了四件大事的人,在四十年里几乎没有听众。
暗物质
他 1933 年做的事在方法上很干净。
星系团里的成员星系在互相的引力作用下运动。测出它们的速度弥散,用位力定理就能反推出维持这个体系所需的总质量。另一方面,把团里所有星系的光加起来,按恒星的质光比换算,得到可见物质的质量。
两个数字对不上,而且差了两个数量级。
他的结论只有一句:团里必定有大量不发光的物质。他用德文写下 dunkle Materie——暗物质。
这个论证在 1970 年代被韦拉·鲁宾从另一个方向重新做了一遍:不是星系团,而是单个旋涡星系的旋转曲线。她的结果无法回避,因为每一个旋涡星系都如此。到那时兹威基的论文已经躺了将近四十年。
超新星与中子星
1934 年那篇与巴德合写的短文更惊人。
他们先把新星与另一类亮度高得多的爆发区分开,给后者造了个词:super-nova。然后提出了机制——一颗普通恒星的核心塌缩成「一颗由中子组成的星」,释放的引力能就是爆发的能量来源。
写下这句话时,查德威克发现中子才过去两年。中子星的密度、半径、以及它作为超新星残骸的身份,全部在这篇论文里被正确地猜到了。
1967 年贝尔·伯内尔在纸带上认出脉冲星,中子星成为实物。兹威基当时还活着。
归总目录
他后半生做了一件笨重但极有价值的事:系统地巡天,把发现的星系、星系团、致密星系一个个记录下来。《星系与星系团总表》共六卷,收录数万个天体,至今仍在被引用——今天文献里出现的「Zw」编号就出自这里。
他也是超新星搜寻的先驱,个人发现的超新星有一百多颗,这个纪录保持了几十年。
1979 年,第一个引力透镜被发现:一个类星体因为前方星系的引力而呈现为两个像。距离兹威基的预言四十二年,距离他去世五年。
代表方程
位力定理反推星系团质量
后发座星系团里成员星系跑得太快,靠看得见的物质根本拉不住。兹威基 1933 年由此算出团里必须有大量不发光的物质,并给它起名「暗物质」。
超新星的能量
一次爆发放出的能量相当于太阳一生辐射的总和。兹威基与巴德 1934 年提出,这是普通恒星塌缩成中子星时释放的引力能——那时中子被发现才两年。