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在 50 多年的學術生涯中，施密特憑借過人的才智、敏銳的直覺、超前的思維、浪漫的情懷與堅韌的意志，為人類探索宇宙做出了杰出的貢獻，也獲得了應有的榮譽。他是可以安息的。

撰文 | 王善欽

2022 年 9 月 17 日，杰出的天文學大師、天文領域的傳奇人物馬丁 · 施密特（Maarten Schmidt，1929-2022）逝世，享年 92 歲。

馬丁 · 施密特。圖片來源： [ 1 ]

師出名門，年青有為

1929 年 12 月 28 日，施密特出生于荷蘭格羅寧根（Groningen）。他的父親威廉 · 施密特（Wilhelm Schmidt）是政府的一名會計，他的母親安妮 · 威廉敏娜 · 施密特（Annie Wilhelmina Schmidt）是一名家庭主婦。 [ 2 ]

施密特的伯伯或叔叔是一名藥劑師與業余天文學家。在他的指導下，施密特用兩塊透鏡與一個紙筒造出了一臺望遠鏡。由于二戰期間的燈火管制，他得以在城市的中心觀測星空。他尋找并閱讀所有能夠找到的天文書籍。 [ 2 ]

1949 年，施密特在格羅寧根大學獲得學士學位，并在 1 年后獲得碩士學位。然后，施密特進入荷蘭的萊頓大學天文臺（Leiden Observatory）跟隨天文學大師簡 · 奧爾特（Jan Hendrik Oort，1900-1992）攻讀博士研究生。

在博士研究生期間，施密特用了一年時間在肯尼亞（Kenya）觀測恒星并測量它們的位置。在完成這個任務后，施密特回到萊頓大學天文臺，用射電望遠鏡系統觀測銀河系旋臂中的氫分子云發出的 21 厘米譜線，從而繪制銀河系形態圖。

1955 年，施密特與科妮莉婭 · 托姆（Cornelia Tom）結婚。 [ 2 ] 二人婚后共生育了三個女兒：安妮 · 施密特（Anne Schmidt）、瑪麗 · 施密特（Marijke Schmidt）與伊麗莎白 · 施密特（Elizabeth Schmidt）。 [ 3 ]

1956 年，施密特在獲得博士學位，其學位論文的主題是用 21 厘米譜線的觀測確定銀河系的質量分布。

此后 2 年，施密特以卡耐基學者（Carnegie Fellow）的身份在威爾遜與帕洛瑪天文臺（Mt. Wilson and Palomar Observatories）工作，類似于現在的博士后工作。這個聽起來很奇怪的單位是由此前的威爾遜天文臺（Mt. Wilson Observatory）與帕洛瑪天文臺（Palomar Observatory）合并而成的。

1958 年，施密特回到萊頓大學。一年之后，他被威爾遜與帕洛瑪天文臺聘用，同時擔任加州理工學院副教授。 [ 3 ] 當時的帕洛瑪天文臺擁有口徑為 200 英寸（5.08 米）的海耳（Hale）望遠鏡，它是當時世界上口徑最大、性能最優越的光學望遠鏡。在天文學中，" 光學 " 指可見光。

1945 年 12 月時處于拋光狀態的 Hale 望遠鏡的主鏡面。為了減輕重量，它的后面被挖空為蜂巢結構。圖片來源： [ 4 ]

1959 年，施密特發表了一篇論文， [ 5 ] 將星際氣體的密度與其中的恒星的形成率聯系起來，人們稱這個結果為 " 施密特律 "（Schmidt law）。此時，施密特尚不足 30 歲。

施密特的這篇論文對恒星形成理論有深遠影響，至今為止獲得至少兩千次引用。

神秘的射電源，神秘的 " 恒星 "

在同事、射電天文學家托馬斯 · 馬修斯（Thomas A. Matthews）的影響下，施密特開始進入射電源領域。所謂的射電，就是無線電。射電源指的是那些發射出射電輻射的天體。

從 20 世紀 50 年代開始，射電天文學蓬勃發展。射電天文學家發現了天空中很多射電源。劍橋小組的天文學家將它們編入一個表格，并不斷更新。

1959 年，這個星表被更新為 " 第 3 版劍橋射電源星表 "（Third Cambridge Catalog of Radio Sources）并出版，這就是著名的 "3C 表 "，3 代表第 3，C 代表劍橋。3C 表里面所有的射電源的編號的開頭都是 "3C"。

這些射電源引起了天文學家的強烈興趣，他們用光學望遠鏡拍攝它們，以確定它們的光學對應體。

1960 年春，施密特的同事魯道夫 · 閔可夫斯基（Rudolph Minkowski，1895-1976） [ 注 1 ] 憑借海耳望遠鏡的觀測，確認 3C 表中的 3C 295 是一個星系，其紅移是 0.461 [ 6 ] ，這是此前測出的星系的紅移的記錄的 2 倍。這類發出強烈射電輻射的星系被稱為 " 射電星系 "。

1960 年夏天，馬修斯找到阿蘭 · 桑德奇（Allan Sandage，1926-2010），希望后者能夠用海耳望遠鏡觀測他圈出的 10 個看上去很小的射電源，以確定它們是不是射電星系。 [ 7 ]

阿蘭 · 桑德奇。圖片來源： [ 8 ]

1960 年 9 月，桑德奇用海耳望遠鏡觀測了表中的第 48 號射電源—— 3C 48，探測到一顆大約為 16 等的類似于恒星的藍色天體，周圍有一小縷星云狀的物質。馬修斯與桑德奇都認為這是一顆前所未見的 " 射電恒星 "。 [ 7 ]

盡管 16 等星比大多數人能夠看到的最暗的星（6 等）還暗了 1 萬倍，但在海耳望遠鏡的 " 眼 " 中顯然算是亮星了。

桑德奇拍攝了它的光譜，并測量了光譜中的一些發射線，發現根本無法與實驗室中的光譜線對應上。桑德奇拿著 3C 48 的光譜與杰西 · 格林斯坦（Jesse Greenstein，1909-2002）等人交流。格林斯坦也無法得到明確結論。

此外，桑德奇的持續觀測還表明，3C 48 的光學亮度每隔 14 天就會變化一半，據此可以推斷出它的發光區域大小僅是太陽系大小的幾倍。這個結果讓桑德奇更相信這是一顆恒星。

1962 年，桑德奇拍攝了 3C 表中的 3C 273 的位置，發現了一顆大約為 13 等的淺藍色星體，它的亮度是 16 等的 3C 48 的亮度的 16 倍。桑德奇還發現 3C 273 的中部有一根發光的 " 細刺 "，像星云狀物質。我們現在知道，這根 " 細刺 " 實際上是 3C 273 拋出的噴流。 [ 7 ]

哈勃空間望遠鏡（" 哈勃 "）的 WFPC2 拍攝的 3C 273（中心亮點）的可見光圖像。中心亮點左上方的一條柱狀條紋是它發出的噴流，長度達到了 20 萬光年左右。圖片來源： [ 9 ]

但桑德奇并沒有（或未能）深入思考這顆 " 星 " 以及它的 " 細刺 " 的本質。他也無法確定作為射電源的 3C 273 的更精確的位置，因此無法證明 3C 273 與這顆 13 等的 " 星 " 的位置完全重合。

桑德奇沒有想到的是，他的同事施密特很快要彎道超車了。

一條刻度尺背后的奇思妙想

1962 年秋，西里爾 · 哈扎德（Cyril Hazard）與合作者利用月亮遮掩 3C 273 的機會，用帕克斯（Parkes）射電望遠鏡確定了 3C 273 的更精確的位置。 [ 10 ] 然后他們將位置發送給馬修斯，后者又將位置轉發給施密特。

20 世紀 50 年代，正在班克天文臺（Jodrell Bank Observatory）觀測的哈扎德。圖片來源： [ 11 ]

施密特發現 3C 273 的精確位置恰好與桑德奇發現那顆小而亮的藍色 " 星 " 的位置重合。這意味著，那顆小藍 " 星 " 就是 3C 273 的光學對應物。天文學的一場疾風驟雨馬上就來臨了。

1962 年 12 月 27 日，施密特用海耳望遠鏡拍攝了 3C 273 的光譜。由于它實在太亮，常規的曝光時間竟然使底片被過度曝光。 [ 12 ] 第二次與第三次，施密特都成功獲得了它的光譜。

施密特發現，3C 273 的光譜非常奇怪，出現了 9 條相當寬的發射線。其中，中心波長為 323.9 納米、503.2 納米、563.2 納米、579.2 納米的 4 條發射線尤其顯著。被確定的還有 459.5 納米與 475.3 納米的兩條譜線。其余 3 條譜線的中心波長誤差范圍較大。

施密特無法確認這些發射線對應哪種化學元素。此后，他多次想破解這個謎團，但卻毫無頭緒。他深感苦惱，一度想放棄。

差不多同時，施密特的同事貝弗利 · 奧克（Beverley Oke）用威爾遜天文臺的 100 英寸（254 厘米）口徑的胡克（Hooker）望遠鏡拍攝了 3C 273 的光譜，光譜中顯示出一條位于紅外波段的強烈的發射線，它的波長為 759.0 納米。

1963 年 2 月 5 日，周一，下午，施密特來到辦公室，想繼續思考自己得到的結果。當他把那張光譜底片放入儀器時，他突然意識到，他確認的發射線中的 3 條與奧克確認那條發射線的分布規律與氫的巴耳末（Balmer）線系 [ 注 2 ] 中的幾條線很像。

然后，施密特腦中突然出現一個違背祖訓的想法：這些光譜線可能就是氫的發射線，只是它們往紅色一端移動（" 紅移 "）了。

這個看似瘋狂的想法讓施密特莫名興奮，他馬上在身邊找到一條簡陋的滑動刻度尺， [ 7 ] 直接測量出移動的量，然后立即得到了 3C 273 的紅移是 0.158。也就是說，這些光譜是氫的光譜線，只是它們的波長被拉長了 0.158 倍。

施密特乘勝追擊，確定出所有被確認出波長的發射線的本質：奧克拍攝的那條線是氫的巴耳末線系中的 Hα 線；他自己確認的 6 條線中的 4 條分別是 Hβ、Hγ、Hδ 與 Hε 線。 [ 注 3, 注 4 ] 另外 2 條發射線則分別是一次電離鎂（Mg II）與二次電離氧禁線（ [ O III ] ）。 [ 注 5 ]

施密特拍攝的 3C 273 的光學光譜（上）與實驗室中用以比較的光譜（Comparison Spectrum，下）。Blue 表示藍，Red 表示紅，Red Shift 表示紅移。下方的 Hδ/410 nm、Hγ/434 nm 與 Hβ/486nm 分別為實驗室中的氫的巴耳末線中的 3 條與對應的波長。上方的相同記號表示它們被紅移之后的位置。圖片來源： [ 13 ]

施密特興奮地走出辦公室。在走廊走動時，他恰好遇到了格林斯坦。他立即把自己的發現告訴后者。格林斯坦恍然大悟，此前他也曾設想 3C 48 的光譜產生了顯著紅移，但卻因為認定它是一顆銀河系內的恒星而放棄了這個想法。有了施密特的工作的印證，格林斯坦堅定了信心。格林斯坦與施密特僅用了 5 到 7 分鐘，就確定了 3C 48 的紅移是 0.37，比 3C 273 的紅移更大。

二人討論時的喧鬧聲驚動了奧克，他趕緊過來問發生了什么事了。然后三人在接下來的幾個小時到辦公室討論：除了紅移這種解釋之外，還有沒有其他的解釋？一直討論到下午 6 點，三人都無法找出另外的解釋。 [ 12 ] 那么，" 紅移 " 這個解釋應該是最自然的解釋了。

6 點過后，三人決定下班。施密特興奮至極，沒有立即回家，而是與奧克一起到格林斯坦家里聚會慶祝。深夜，施密特回到家，對妻子說："辦公室里發生了駭人的事情。"（Something terrible happened at the office）。 [ 12 ]

后來他回憶說，自己當時的英文表述也許并不精確 [ 12 ] ，但他當時確實說的是 " 駭人的 "（terrible）。也許當時他想表達的意思是 " 驚人的 "。

施密特的發現確實是駭人的：結合距離與觀測到的亮度，可以算出 3C 273 的光度達到太陽光度的 2 萬億倍左右（現代計算值是 4 萬億倍），是當時被確認的最亮的射電星系的亮度的光度的 100 倍左右。一個大小遠遠小于銀河系的天體，卻比星系亮得多，這在當時實在是駭人聽聞。

它到底是什么？

" 星系的核心 "

施密特很快寫了一篇的論文，討論了 3C 273 的光譜，并將其中的發射線解釋為被紅移了 0.158 倍之后的氫、鎂與氧線。這篇論文發表于《自然》（Nature），標題是《3C 273：一個大紅移的類星物體》。 [ 14 ]

事實上，那一期的《自然》連續刊登了 4 篇密切相關的論文，第一篇是哈扎德等人測量 3C 273 的精確位置的論文 [ 10 ] ，第二篇是施密特確定 3C 273 的紅移的論文 [ 14 ] ，第三篇是奧克發現 3C 273 的紅外發射線的論文 [ 15 ] ，第四篇是格林斯坦與馬修斯確定 3C 48 的紅移的論文 [ 16 ] 。

在這篇不到 1 頁的劃時代的論文中，施密特報告了自己的觀測，并指出，3C 273 的紅移基本上不可能是恒星的引力造成的 " 引力紅移 "，而是由宇宙膨脹導致的 " 宇宙學紅移 "。

施密特認為，3C 273 是一個星系的核心，該星系的紅移是 0.158，它的速度是光速的 0.158 倍，即 47400 千米每秒。

施密特計算出 3C 273 與地球的距離約為 5 億秒差距，即約 16 億光年（根據現代的哈勃常數計算得到的數值是 24.4 億光年）。施密特還計算出 3C 273 的直徑小于 1000 秒差距（3262 光年，1000 秒差距只是粗略估計值，并非精確值）。

施密特不僅正確解釋了 3C 273 的紅移，而且正確地猜想它是一個星系的核心，顯示出他大膽而超前的思維。

1965 年，施密特發表了另一篇重要的論文，公布了 5 個主要由他發現的新的類星體 [ 17 ] ，其中有 3 個的紅移為 1，最遠的那個的紅移更是高達 2。正如他自己所說："我們現在可以輕易獲得很高的紅移（的類星體），因為這些該死的東西實在太亮了。" [ 注 6 ]

1965 年，使用顯微鏡測量光譜的施密特。圖片來源： [ 18 ]

成功破圈

這么小的天體的光度卻比極其龐大的星系的光度高得多，這聽起來非常不可思議，但可能性卻很大。因此施密特的這一發現讓整個天文學界與大量普通人大受震撼。

人們都已經意識到宇宙學與天文領域的一場巨大的變革已經猝然到來。施密特一戰成名。正如他自己后來回憶的那樣：" 我發現（類星體）紅移的那個晚上，前景絕佳。" [ 注 7 ]

1966 年 3 月 11 日，施密特成為《時代》（Time）周刊的封面人物。《時代》將施密特與偉大的物理學家與天文學家伽利略（Galileo Galilei，1564-1642）相提并論：17 世紀的這位意大利人（伽利略）震驚了同時代科學家與神學家，20 世紀的這位荷蘭人（施密特）同樣震驚了同時代的其他人。

因為確認類星體而登上 1966 年 3 月 11 日《時代》周刊封面的施密特。圖片來源： [ 19 ]

《時代》周刊的推波助瀾，使施密特的名聲成功破圈，成為媒體的寵兒與社會名流。

當時的天文學家將這些謎一樣的天體稱為 " 類星射電源 "（quasi-stellar radio sources），或 " 類星體 "（quasi-stellar objects，QSOs）。1964 年，丘宏義（Hong-Yee Chiu，1932-）在一篇文章 [ 20 ] 中嫌 " 類星射電源 " 這個詞組太長，因此直接將其稱為 "quasar"，直譯是 " 類星 "；但國內的天文書籍也將其也翻譯為 " 類星體 "。

1965 年，此前痛失一局的桑德奇首次發現不發出射電輻射（" 射電寧靜 "）的類星體。 [ 21 ] 研究表明，類星體中的 90% 是射電寧靜的。因此類星體包含了類星射電源。

此后，施密特繼續尋找、觀測類星體，從而對類星體的確認、計數、統計、空間分布、演化、紅移 - 距離關系等問題也做出重要貢獻。例如，他發現，紅移大約為 2.5 的宇宙中的類星體的產生率是最大的。

紅移與能源之謎

在類星體被發現后的十年左右的時間內，對于其距離與能源一直存在爭論。施密特等人相信它們的紅移是 " 宇宙學紅移 "，因此是非常遙遠而明亮的天體；另外一些天文學家則反對前者的觀點。

盡管如此，" 宇宙學紅移 " 的觀點依然占據主流。這樣就必然帶來另一個問題：如何解釋它們的高光度？

1964 年，薩爾彼得（Edwin Salpeter，1924-2008）與澤爾多維奇（Yakov Zel'dovich，1914-1987）分別提出 [ 22-23 ] ，星系中心的超大質量黑洞吞噬周圍的物質，物質內部的粒子互相摩擦生熱，加熱物質，可以解釋類星體的高光度。

1969 年，曾經在施密特那里當過博士后的林登 - 貝爾（Donald Lynden-Bell，1935-2018）進一步發展了這個理論，并提出：超大質量黑洞在星系中心普遍存在，發出強烈輻射的近距離的星系是老 / 死的類星體。 [ 24 ] 林登 - 貝爾指出，普通星系、賽弗特（Seyfert）星系與類星體本質上并無差異，只是它們中心的超大質量黑洞與周圍的物質盤的活躍性不同而已。

類星體的藝術想象圖。圖片來源： [ 25 ]

然而，黑洞模型在那個時代沒有足夠的說服力，因為大多數天文學家與物理學家都不相信黑洞的存在性。因此，在整個 60 年代，類星體的紅移與能源問題依然無法獲得共識。

盡管如此，天文學家與物理學家卻已經明顯感覺到：類星體即使不是黑洞與周圍物質共同作用的結果，也很可能與星系中心的某種特殊的物理過程有關。

此外，為了能夠讓黑洞模型可以解釋類星體，理論物理學家開始更認真地對待黑洞理論，天文學家也熱情地去尋找黑洞存在的證據。

因此，即使在稍顯混亂的 60 年代，類星體的發現與研究也有力地促進了天文學與理論物理學的發展。

鐵證如山

要想最終確定類星體到底是不是星系的明亮核心，最簡單、最有力的方法就是尋找它所在的星系。如果能夠找到類星體嵌在某個星系的中心的觀測證據，施密特提出的這個想法自然就被證實了。

1973 年，克里斯蒂安（Jerome Kristian）用海耳望遠鏡拍攝了 26 個類星體，發現其中一部分類星體明顯地嵌在一些星系的中心。這強烈支持了施密特提出的 " 類星體是星系的核心 " 的建議。不過，反對者依然可以說這些重合可能只是視線上恰好重合。

1982 年，托德 · 波羅森（Todd A. Boroson）與奧克發現了類星體 3C 48 周圍的星系，并確認這個星系的紅移與 3C 48 的紅移相同。這直接證明類星體的紅移確實是真實的宇宙學紅移。

類星體就是星系的核心。施密特的天才想法是正確的。

后來的觀測也在不斷證實施密特的想法。例如，" 哈勃 " 的 ACS 利用星冕儀屏蔽了 3C 273 的光之后，清晰地拍攝到它旁邊的物質，后者就是 3C 273 所在的星系；這強有力地證明了 3C 273 是一個星系的核心。再如，" 哈勃 " 的 WFPC2 拍攝的 " 類星體 0316-346" 的圖像中，它周圍的星系清晰可見。

" 哈勃 " 的 ACS 拍攝的 3C 273 附近的星系物質的圖像（左）與 " 哈勃 " 的 WFPC2 拍攝的類星體 0316-346 的光學圖像。在左圖中，類星體發出的光已經被星冕儀屏蔽，這使得周圍的星系物質可以被更容易拍攝到。圖片來源： [ 26 ] （左）； [ 27 ] （右）。

雖然此后依然有極個別著名的天文學家——如阿普（Halton Arp，1927-2013）——無視這些鐵的事實，繼續堅持類星體的紅移不是宇宙學紅移，但他們無法撼動觀測的鐵證。

除了紅移方面的鐵證之外。能源問題也獲得了突破。通過間接的方式，天文學家證明星系中心確實存在黑洞。最近幾年，射電望遠鏡陣更是直接拍攝到 M87 與銀河系中心的超大質量黑洞。

學術榮譽

1964 年，施密特在加州理工學院升為教授。

1972-1975 年，他擔任加州理工學院天文系主任。1976-1978 年，他擔任加州理工學院的數學與天文組主席。

1978-1980 年，他成為海耳天文臺（Hale Observatories）的臺長，該天文臺由 " 威爾遜與帕洛瑪天文臺 " 改名而來。由于威爾遜天文臺與帕洛瑪天文臺一直貌合神離，施密特于 1980 年拍板解散海耳天文臺，使其恢復為原來的兩個獨立單位。他也因此成為海耳天文臺最后一任臺長。

1996 年，施密特光榮退休。但在此后大約十年，他繼續從事研究并發表論文。

由于對確認類星體并為人類認識類星體的各種重要性質做出重要貢獻，施密特從 1964 年開始就開始獲得了眾多重要獎項。這些獎項包括 1964 年的沃納獎（Warner Prize）、1978 年的諾里斯 · 羅素講席、1980 年的英國皇家天文學會金質獎章（Gold Medal of the Royal Astronomical Society）、1991 年的沃森獎章（James Craig Watson Medal）、1992 年的布魯斯獎章（Bruce medal）與 2008 年的首屆科維里天體物理學獎（the Kavli Prize for Astrophysics，與林登 - 貝爾分享）。

2008 年，施密特（左）與林登 - 貝爾（右）領取首屆科維里天體物理學獎。圖片來源： [ 28 ]

浪漫的情懷與堅韌的意志

類星體被公認為 20 世紀 60 年代的 " 四大發現 " 之一。另外三項分別是：微波背景輻射、脈沖星與星際分子。

在頂尖高手如云、競爭極端激烈的帕洛瑪山上，施密特憑借自己的敏銳直覺與專業素質，抓住了轉瞬即逝的機會，有幸成為第一個確認出類星體的人。

從此以后，人類不斷發現更多類星體，它們的紅移的值也不斷刷新記錄。2021 年，天文學家發現類星體 J0313 – 1806，測出它的紅移高達 7.64，那個時候的宇宙年齡才 6.7 億年（宇宙年齡在 138-140 億年之間）。這個記錄還會在未來被快速刷新。

在施密特的職業生涯的巔峰時期，他一次次在入夜后乘坐電梯進入位于海耳望遠鏡的主焦點的 " 籠子 " 里；電梯移開后，他開始徹夜觀測。

現在還在運行的海耳望遠鏡。圖片來源： [ 29 ]

在微冷的夜晚，他拒絕為了御寒而穿上更多衣服，因為他認為在寒夜里受點苦才會讓觀星的過程更浪漫。他讓自己的浪漫情懷與堅韌意志結合在一起。 [ 注 8 ]

在至今為止被發現的近 100 萬個類星體中，由施密特確認的 3C 273 具有特殊的地位：它不僅是第一顆被確認的類星體，也是唯一能夠用小望遠鏡看到的類星體，因為它相對近（雖然它不是最近的類星體），且極端亮。

施密特。圖片來源： [ 3 ]

在 50 多年的學術生涯中，施密特憑借過人的才智、敏銳的直覺、超前的思維、浪漫的情懷與堅韌的意志，為人類探索宇宙做出了杰出的貢獻，也獲得了應有的榮譽。

他是可以安息的。

施密特。圖片來源： [ 3 ]