林德布拉德

林德布拉德的主要科學工作是研究銀河系和星團的結構和動力學。1926年為了解釋銀河系中恆星速度分佈的不對稱性，首次提出銀河系由許多銀河系次系組成，並證明銀河系自轉中心在人馬座方向。他廣泛地研究了星系的旋渦結構和旋渦星系的自轉，發現星系中的恆星具有集中在旋臂中的趨向；他是星系動力學的先驅者之一。1942年他提出密度波理論來解釋星系的旋渦結構。1920年他從事輻射平衡理論研究，並用以解釋太陽臨邊昏暗現象。

1934年首次證明星際塵埃能夠形成小粒子，並通過吸積過程而增大，這種過程對恆星的形成和演化能起很大的作用。他還利用晚型恆星的光譜紫區的吸收強度和恆星光度之間的關係，測定絕對星等，並利用氰分子吸收線的強度定出好幾千個暗弱恆星的絕對星等，從而求出視差。

林德布拉德是星系動力學的先驅者之一。1926年他首次全面建立了銀河系自轉理論。1942年提出了解釋星系旋渦結構的“密度波理論”。此外，1934年首次證明了星際塵埃通過吸積過程而增大，推動了恆星形成與演化的研究。他還建立了一種嶄新的光度定標方法，利用氰分子吸收線強度差別確定上千個暗弱星的光度和距離。1948年獲瑞典皇家天文學會金質獎章。

藉助類比推理探索星系旋臂形成的秘密

在茫茫的宇宙中，和銀河系同一等級的恆星系統即星系何止千千萬萬，但從外觀形態上看，則可歸結為三大類型：扁率各不相同的橢圓星系；形同水中旋渦、具有兩條或更多條螺線狀“旋臂”的旋渦星系；形狀不定的不規則星系。人類所在的銀河系是屬於標準的旋渦星系。自1845年羅斯在觀測獵犬座星系M51時發現旋渦星系存在以來，其神秘而壯觀的旋臂結構起源之謎，一直令天文學家浮想聯翩，夜不能寐。進一步的觀測發現，旋臂都在恆星富集之處，主要成員大都是明亮的年輕恆星，以及由之產生的稠密氣體——塵埃雲，其中有許多電離狀態的氫雲（即電離氫區）。新的恆星以特別高的速率在旋臂處生成，堪稱恆星的搖籃。

“密度波”概念

如何合理地解釋星系旋臂的形成呢？種種假說應運而生。林德布拉德在1942年首創“密度波”概念，並在1964年被林家翹等人所發展。如果整個星系猶如鐵餅或老式留聲機唱片那樣的剛體在旋轉，則上面的螺旋花紋的可經久不變便不會讓人吃驚了。但星系是由幾十億乃至幾千億顆恆星構成的，此外還有大量的星際氣體和塵埃物質。當它們環繞星系中心作旋轉運動時，離中心越近旋轉周期就越短，即角速度越大。按理旋臂應該越纏越緊，最後纏捲成一團，最終使旋臂消失殆盡。可至今尚未觀測到這種現象。有人認為維持旋渦結構的力量來自星際磁場，但觀測和演算結果都顯示磁場強度不足以維持這種奇特的結構。那麼是什麼機制形成這種花樣的呢？出身於海軍軍官家庭的林德布拉德，在苦苦思索多少年之後，有一天忽然想到了大海里的水波。

1942年的歐洲，戰雲密布。斯大林格勒大血戰正在進行，這是一場關係到歐洲和人類命運的大搏鬥。憂心忡忡的林德布拉德迎著晨風，在波羅的海西岸著名的海港斯德哥爾摩的海灘上漫步，身後留下了一串腳印。他在苦苦地思索：歐洲被捲入了戰爭的可怕旋渦，那是希特勒納粹德國造成的；那星系的旋渦又是什麼原因造成的呢？不久前有人說，這得去問上帝。但如果什麼都去問上帝，那還要科學家幹什麼？最近有人將之歸因於星系磁場，恆星就像磁場里的鐵粉呈花紋狀排列。如果真的如此，星系磁場強度則大得不可思議，顯然同觀測結果不符。那麼到底是什麼原因呢？一群海鷗掠過水麵，激起了無數漣漪。“哦，水波！水波！”他驚奇地大聲喊道。“我苦苦思索了多年，怎麼沒有想到水波呢？！”他拍了拍自己的腦袋，喃喃自語，思潮起伏。

星系旋臂結構形成的著名假說——“密度波理論”誕生了。類比方法使林德布拉德驀然開竅：如果把星系比作流體而不是剛體，把星系裡的無數恆星比作旋渦運動的水分子，那旋臂結構可以看成是種流體波，即密度波或壓縮波。旋臂並非剛性的物質臂，而是由於路經這些區域的恆星和星際氣體以及塵埃因引力作用而密集，密度加大而速度減慢，過了旋臂則因密度減小而加快了速度。旋臂中的“居民”不是一成不變的，而是川流不息的。這就解釋了星系旋臂不產生纏繞的原因。

當他從海邊回來時，路上碰到一隊修路工人正在翻修因空襲而被破壞的路面，行人和汽車行至此處都因交通擁擠而不得不放慢速度。這更進一步證實了他的想法。作為類比，狹窄地帶的交通狀況不就是旋臂形成的狀況嗎？！他如夢初醒，匆匆趕回書房，奮筆疾書起來。海風從窗口徐徐吹來，窗外是朝陽輝照著的變幻的大海。海的那邊就是古時候的哥尼斯堡，雖然看不見，但他卻聽到了曾經生活在那裡的先哲康德的一句名言：“每當理智缺乏可靠論證的思路時，類比這個方法往往能指引我們前進。”

斯德哥爾摩的名稱由stock（木棒）和holm（島）組成。當地傳說古時候梅拉倫湖上漂浮著一根木頭，引導來自錫格蒂納的第一批移民至此建立城市。類比法也是這樣一根神奇的浮木，使林德布拉德終於找到了解開星系旋臂秘密的答案。

特徵標記方法指引發現新的“量天尺”

1920年，林德布拉德在烏普薩拉大學通過了博士學位答辯，他以論文“應用輻射轉移理論解釋太陽臨邊昏暗”令學術界矚目。自此，他的命運的太陽也在冉冉升起。比海洋更浩瀚的是天空。如果說他的父親一輩子都在大海里游弋，則林德布拉德從小就立志要在無垠的星海里飛翔。他深受家庭熏陶，但卻未繼承父業。他驚嘆天文學在航海中的“導航”作用，自己竟然會迷上了星星。畢業后他被派往美國利克天文台和威爾遜天文台從事考察和研究，那裡良好的條件使他的才華得到施展。在兩年不到的時間裡，他找到了確定暗弱恆星光度的一種新的分光光度標準，從而找到了確定天體離地球距離的新的“量天尺”。天文學家多年望而生畏的難題，一朝解決。其重要原因在於林德布拉德勤于思考，立意新穎。具體地說，正是特徵標記法的思路引導他巧妙地走出了使人望而生畏的沼澤之地。

“梁國雖好，不是久戀之家。”林德布拉德深知他的根和他的事業都在祖國。1922年回國后，他擔任烏普薩拉大學天文台台長貝里斯特朗的助理，繼續從事對暗星光度的巡天觀測，這一研究領域最終形成了林氏學派。

對遙遠的天體輻射到地球的星光進行光譜分析以測量其光度強弱，在天文學上被稱為“分光光度測量”。作為研究天體物理性質的重要方法之一，它得益於19世紀末以後照相術、分光術和測光術的發展，另外還憑藉有一定光譜解析度的儀器，如各類恆星攝譜儀、光電分光光度計等。林德布拉德當時在烏普薩拉大學天文台用的是各種攝譜儀中最簡單的一種：在天體照相儀的物鏡前加上一塊用以分解光譜的稜鏡，然後用照相機把光譜拍攝下來進行比較和測算，這比用肉眼觀測和記憶強多了。儀器雖談不上先進，但採用的方法卻很新穎，一舉可測出幾千顆暗星的距離，他因此一鳴驚人。

在林德布拉德之前，柯舒特和亞當斯已發現同一種光譜型的恆星（如光度較弱的矮星和光度較強的巨星）大多譜線強度一樣，但也有某些譜

於同一譜線在金牛座α星的光譜強度，而同時SrⅡ4216 線卻正好相反。如能找到這些特殊譜線並配對，估計其強度差就可求出待定恆星的光度。林德布拉德執意要找到這種特徵譜線。他終於發現，在巨星和矮星中氰分子（CN）吸收帶強度差別顯著，以這種強度差為橫坐標，光度（絕對星等）為縱坐標，可得到一光滑曲線（歸算曲線），就能迅速推知未知距離恆星的實際光度。他的方法遠勝於前人，因為這種譜線即使在很低色散的光譜中也是明顯可見的。因此林氏方法很快成為天文學界普遍採用的新的“量天尺”。因為測得光度就可推算離地球的實際距離，宇宙鴻溝被填平了！

特徵分類方法揭示銀河系有次系統

銀河系的恆星約有1011量級的個數，它們自由自在的邀游決不是雜亂無序的。早在20世紀20年代，林德布拉德就提出星系繞自己的中心旋轉的理論。但是從表面上來看，恆星運動並不是對稱性的，幾乎同共同的繞轉運動相矛盾。進一步統計后發現，相對於太陽空間速度越大的恆星（高速星）越是強烈趨向於空間某一區域，好像那裡是宇宙旋渦的中心似的。例如，速度大於100公里/秒的恆星，一致趨向銀經175°～365°天區，彷彿是急急忙忙要到那裡赴宴似的。早在1895年，荷蘭的卡普坦就發現恆星空間運動的方向分佈既不是隨機任意的，又不是對稱的。他進一步研究后發現了所謂“二星流”特異現象。恆星相對太陽系有兩個集中運動方向，即扣除太陽運動效應外，銀河系所有恆星都分成兩派，“騎牆派”和“第三條道路”並不存在。“二星流”的發現一時轟動了天文學界，引起軒然大波，也強有力地推動了學界精英紛紛投身研究。那“二星流”的本質又是什麼呢？

林德布拉德是第一個系統建立銀河系自轉理論的人。他認為“二星流”是由銀河系自轉效應引起的。為了解釋恆星運動的不對稱性，林德布拉德進而提出了銀河系存在空間運動、空間分佈和物理特性方面互有區別的“次系”。不同的次系有一些互相混雜，但按特徵不同仍可以分為三類：一類是扁平次系，高度集聚於鐵餅狀的銀道面兩旁，形成扁平形狀的恆星系統，大都是早型恆星如O型星次系、B型星次系、經典造父型變星次系和銀河星團次系等。另一類是球狀次系，以銀河系中心為集聚點，形成球狀系統，如天琴座RR型變星次系、亞矮星次系和球狀星團次系等。最後一類是中介次系，介於扁狀與球狀之間。林德布拉德按照恆星的空間分佈和運動特徵對它們加以分類，並指出存在高速星和低速星的原因在於運動的相對性效應。因為太陽以250公里/秒左右的速度繞銀河系的軸心（銀心）運動時，那些相對於整體銀河系幾乎是靜止的球狀次系就顯示出高速的表觀現象，而與太陽差不多速度的就表現為低速星現象。次系實際上就是星族，即星星的不同“種族”，就像地球上有黃種人、白種人和黑種人等一樣。

林德布拉德的星系自轉理論和次系概念簡潔明了地解開了貌似複雜的恆星運動之謎，使之得到自洽的解釋。根據事物的特徵而分類，根據已有的共同特徵去外推可能的對應特徵，往往會使思維在困境中產生跳躍。