观测宇宙学的拓荒者阿伦

这时的卡耐基研究所真是一个从事天文研究的天堂。研究所不大，一共只有十几个研究员。作为研究人员来说，他们的收入不错，衣食无忧，不必教课，在研究方面享有完全的自由。这里的假定是，能被招进来的人都是最优秀的天文学家，会找到适合自己的研究方向，每人只要一年交一篇报告，总结自己的工作进展，所长会把这些报告汇总成天文台的年度报告。这个研究所当时拥有世界上最多的大望远镜，这些望远镜当时也很少对外开放，基本就归研究所成员使用，具体的观测时间分配方案由一个委员会根据成员们的申请书以及他们以往的产出投票决定，委员在讨论到自己的申请时回避一下。每个成员都会分到一些起码的观测时间，有些高产出的成员象哈勃、巴德等每年高达三、四十夜，桑德奇后来也是如此，这样多的观测时间在今天的天文界几乎难以想象。阿伦已经替哈勃做了几年观测，但他刚进入卡耐基研究所后不久，哈勃就因心脏病去世了。这对阿伦是个巨大的打击，他痛苦地在帕萨迪纳的大街上来回走了几个小时。“这一切都是由他制订下来的，”阿伦后来对采访者说其自己当时的感受，“你就好像被任命为但丁的助手，你为但丁工作，而但丁突然死去了，你手里有整部《神曲》的未完手稿，那你该怎么办？”不言而喻的是，这样伟大的工作绝不应该就此湮没。阿伦主动挑起了完成哈勃的几项研究计划的重担。星系的哈勃分类，图中给出了一些典型的星系形状和哈勃分类第一项工作是出版哈勃星系图册。相比银河系内的千奇百怪的星云来说，星系的形状要规则得多，因此还在哈勃确认星系处于银河系之外以前，一些天文学家已开始根据星系的形状对其进行分类。当然，这些形状分类其实是一种介于科学与艺术之间的事，有一定的随意性。哈勃之前的这些分类往往比较繁复，而且不同类别之间没有连续性，因此不太好用——如果看到一个新星系与以前做过分类的星系不尽相同，就不知道该往哪一类里放了。哈勃在1926年发表了一个分类方法，把星系分为椭圆星系(E)、旋涡星系和不规则星系，用数字标志椭圆的程度，又把旋涡星系分为普通的旋涡星系(S)和棒旋星系（SB)，还根据旋臂的绕紧程度进一步分为Sa,Sb,Sc和SBa,SBb,SBc等。这一分类比较简明扼要，而且又有连续的序列，便于使用，遇到新的星系可以根据它与标准星系的相似度“内插”，因此被广泛接受，成为现代天文学中的标准星系分类法。然而，究竟这些不同类别的标准星系是什么样子呢？就好象生物分类需要一些标本作为参考一样，星系的分类也需要一些典型。因此，哈勃决定出版一本图册，显示一些典型的星系并给出其分类。然而图册尚未编成他就去世了。阿伦选用200英寸望远镜观测的星系照片，最终完成了这一图册（HubbleAtlasofGalaxies,1961）。这一印刷精美的图册从此成为天文学图书馆中标准的工具书。1994年，阿伦又出版了升级版的图册（TheCarnegieAtlasofGalaxies）。阿伦在与人聊天时的一个拿手好戏就是给人演示哈勃分类，他会在咖啡中加入一些奶油，然后搅拌一下就会成为一个星系的形状，然后他会根据自己的经验随口说出按照哈勃分类这个“星系”应该属于什么类型。椭圆星系与位于旋涡星系中心的核球有某种类似性，因此哈勃一度认为，椭圆星系首先形成，其中有一些后来又在演化中获得旋臂变成旋涡星系，因此他把前者称为早型(earlytype)星系，后者称为晚型(latetype)星系，这些术语在天文学中保留了下来。但是，后来人们认识到，首先形成的是不规则星系和旋涡星系，在这些星系发生并合等条件下再转变为椭圆星系。今天，我们对这些星系形态的理解大致是这样的：当星系形成的时候，气体通过辐射逐渐冷却、凝聚。由于气体角动量守恒，往往会收缩成盘状（角动量方向垂直于盘面）。在这种气体盘中，由于到中心不同距离处的万有引力不同，因此盘上不同半径处气体转动的速度和角速度也是不相同的。盘上的旋转不等速是导致螺旋形出现的根本原因。一旦盘上出现扰动，这种扰动所导致的密度波在差动旋转的盘面上传播就会形成螺旋形，这是著名应用数学家林家翘（C.C.Lin)先生和他在MIT指导的本科生徐遐生(FrankShu)的一项很有名的工作。徐遐生先生后来成为最著名的华裔天文学家之一，曾担任UCBerkeley大学天文系的系主任和台湾清华大学的校长。后来关于这些密度波是否会长期稳定有一些争议，林先生等人认为螺旋密度波可以长期稳定存在，而由林先生招聘到MIT的动力学家AlarToomre等人则认为，只有在有近邻星系持续扰动的情况下螺旋形密度波才能长期存在。但是，对于旋臂是密度波这一点人们还是普遍接受的。M51是最著名的旋涡星系之一，其旋臂形状非常完美。但Toomre等人认为，这一旋臂的密度波之所以长期存在，是由于图左边的那个星系(NGC5195)的持续引力扰动.当旋涡星系相互碰撞、并合时，则由于所谓剧烈弛豫过程，原来分布在两个盘上的恒星转化成椭球分布，而星系在这一过程中也失去了大量气体，导致椭圆星系的形成。这是目前的一般看法，但也不是绝对的，有人用数值模拟证明，有时旋涡星系并合后仍为旋涡星系。在某些情况下，例如星系中心类星体的作用下，即使近期内没有发生并合，旋涡星系仍然有可能转化为椭圆星系。Arp收集的奇怪星系中的几个例子当然，除了这些比较“正常”的星系形态之外，也有一些星系形状比较奇怪（但并非哈勃分类中的不规则星系），比如有的星系长出了长长的“尾巴”和“触角”，有的则象车轮一样。阿伦的同学阿普收集了很多这类奇怪的星系的例子，也编成了一个星表(TheAtlasofPeculiarGalaxies,1966)。这往往是正在相互碰撞或作用的星系。