来源:返朴

  撰文:刘辛味

  2020年诺贝尔物理学奖颁给了美国加州大学洛杉矶分校的天文学家安德莉娅·盖兹(Andrea M。 Ghez)。她是继居里夫人(1903年)、梅耶(1963年)和唐娜·斯特里克兰(2018年)之后第四位获得此项殊荣的女科学家。在天文学领域,优秀的女科学家很多,并且相较于其他理工学科,女性在天文学研究上有久远的历史。二百多年前,彗星猎手卡罗琳·赫歇尔 (Caroline Herschel,1750-1848) 因其在彗星发现和分类方面工作,成为英国首个获得官方职位的女性。现在,银河探险家盖兹,因发现银河系中心超大质量致密天体——黑洞(诺奖颁奖词很谨慎,并未提黑洞),成为诺奖历史上首位女天文学家。

安德莉娅·盖兹(Andrea M。 Ghez,1965-) 丨图源:Elena Zhukova/University of California安德莉娅·盖兹(Andrea M。 Ghez,1965-) 丨图源:Elena Zhukova/University of California

  我将成为第一个登上月球的女孩

  盖兹的童年在美国登月竞赛胜利之时度过,当4岁时看到阿波罗11号登月成功,她被深深地震撼了。盖兹仍深刻地记着自己的豪言壮语:“我对母亲宣布,我将成为第一个登上月球的女孩!”开明的父母尊重了她的想法,他们一直鼓励盖兹去追求任何感兴趣的东西,还给她买了一架望远镜。然而,这个兴趣并没有持续多久,老工业城市芝加哥的天空早早地把未来的女航天员扼杀在了摇篮里。但观星的种子还是埋在了她心底,只是当时她自己还不知道。

  小孩的兴趣总是会变的,上过舞蹈课后,盖兹决定未来成为一名芭蕾舞演员,可对舞蹈的热情终究没抵得过数学的诱惑。盖兹至今记得高中时班里墙上贴了一篇文章说,科学研究表明男生比女生更擅长数学——如今我们还能听见这样的谬误噪声。而盖兹当时就表示不服,数学课上她向男生发起了挑战。至于谁赢了,盖兹笑着说,“我做的很不错。”

  除了数学题,盖兹还喜欢玩拼图之类的益智游戏,读一些侦探小说,然后在晚上思考更深奥的问题——宇宙的尽头在哪?为了寻找答案,她决定走向科学之路。后来盖兹回忆说,高中时支持她去研究科学,对她影响最深的是高中化学老师朱迪斯·基恩(Judith Keane),因为这是她学生时代遇到的唯一一位教科学课程的女老师。盖兹认为,在被男性主导的领域里,她在那里,就已经说明了一切。在得知盖兹获得诺奖后,Judith Keane接受采访时说,“她是一位杰出的学生,能教这样特殊的学生是老师的梦想。”

1990年代盖兹在芝加哥阿德勒天文馆(Atler Planetarium)上发表演讲后与老师朱迪斯·基恩合影丨图源:news.uchicago.edu/1990年代盖兹在芝加哥阿德勒天文馆(Atler Planetarium)上发表演讲后与老师朱迪斯·基恩合影丨图源:news.uchicago.edu/

  1987年,盖兹进入麻省理工学院。当她发现物理学才可能帮助自己找到终极答案之时,果断换了专业。“我爱数学,最初是数学专业然后转到了物理。”大学期间,盖兹给一位天文学家“打工”,结果第一次到天文台帮忙就被这里技术氛围所吸引,点燃了她的好奇心。无论是硬件维护还是软件编写,她都渴望学习。当她发现从宇宙深空中发来的X射线蕴含着天体秘密时,脑海中浮现了一个想法,一些射线源可能是黑洞——她似乎找到了自己毕生所向。盖兹回忆说:“我完全被黑洞迷住了,我爱上了这份职业。”

  实际上,在盖兹大学时期,天文学家已经观测到黑洞存在的证据,但还远谈不上证实。(1990年霍金和基普·索恩打赌天鹅座X-1不是黑洞。)盖兹有机会成为第一个证实银河系中心存在超大质量黑洞的女科学家,现在我们知道她做到了。

  用前沿技术

  1987年盖兹毕业后来到加州理工学院攻读博士学位,因为这里对她来说拥有最好的“玩具”,这里有当时世界上最大的望远镜之一,位于帕洛马山天文台的5米海尔望远镜。不过,还有一个小玩具更让她着迷——散斑成像(Speckle imaging)。

  在2013年Nature的采访中,盖兹透露出自己是个技术控。“我喜欢冒险尝试新技术,也许行不通,但可能会打开一扇理解宇宙的新窗口,回答一些你甚至都不知道去问的问题。” 散斑成像在当时并不算是个新技术,但是她要用在新的场景。

  望远镜分辨率的理论极限受限于其口径,光的衍射会导致成像会形成一个圆斑,即艾里斑。但大气湍流的干扰,单个艾里斑会被变成一系列“散斑”,其实就是由一系列相干的波前互相干涉产生的图像,这使望远镜分辨率达不到其理论极限,尤其对于拍摄遥远的恒星来说,图像十分模糊。

  实际上,早在牛顿时代的学者就注意到了散斑现象,牛顿当时就提出过为什么能观察到恒星的闪烁现象而观察不到行星的类似现象,现在人们知道这是光的空间相干性不同所致。但直到20世纪60年代激光器诞生后,激光散斑得到重视,也出现了新的用途。物理学家发现散斑可以作为信息载体而用于图像处理,通过傅里叶变换重建原始图像。在天文观测中,天文学家利用散斑提高分辨率。

双子座天文台Alopeke宽场成像仪对木星成像对比,左图为视宁度效应极限(有大气干扰下的成像极限)的效果,右为散斑成像后效果(右) 丨图源:Physics Today双子座天文台Alopeke宽场成像仪对木星成像对比,左图为视宁度效应极限(有大气干扰下的成像极限)的效果,右为散斑成像后效果(右) 丨图源:Physics Today

  在盖兹读博时期,散斑成像技术在可见光波段的应用已经非常成熟,通过在极短时间内曝光拍下大量相片,选择效果最好的一些图像(可认为大气干扰很小接近衍射极限的“幸运图像”)进行位移叠加取平均得出最佳图像,再从中提取信息。但这种方法在当时也有明显的缺点,只能对明亮的天体使用,并且在计算机并不发达时代,效率不高。随着90年代末电子倍增CCD相机引入到天文学领域中,大幅提高了观测较暗天体的能力,散斑成像也再次赢来了生机。

  盖兹加入了一个小组,他们正在开发一种基于红外线的散斑成像技术,用于探测被星际尘埃覆盖的活动星系核发出的红外线,比如漩涡星系和椭圆星系中心,天文学家认为这里或许存在黑洞。盖兹负责了编写图像分析软件,使设备拥有尽可能高的分辨率。可惜最初的尝试并不成功,她没看到活动星系的中心,博士论文只好转向了另一个目标,同样是明亮天体——银河系的新生恒星。

  盖兹研究生涯早期主要集中在恒星形成的问题上。天文学家认为恒星诞生于星际气分子云密集的区域,云核坍缩形成恒星。但是银河系内有大量的双星系统,互相环绕的恒星又是如何形成的?是分别形成后某种方式靠近,还是天生如此?盖兹利用此前在散斑成像积累的经验,对金牛座T进行了观测,更好的分辨率让她发现了这一区域内许多婴儿时期恒星,它们以双星的形式存在,如此年轻又靠得很近,意味着双星系统可能就是成对形成的。这对天文学家寻找系外行星有重要影响(我们一直在寻找另一个地球),因为行星被认为难以在双星系统复杂的引力场中形成。

  机遇与风险并存,如果要总结盖兹的成功之路,那就是对数学物理上持久的热爱与好奇心(当然也遇到了几位好老师),促使她去使用最先进的技术,这会是未来做出更大发现——确认银河系超大质量黑洞的关键。

  目标:银河系中心

  1992年盖兹获得了博士学位,随后去了亚利桑那大学做了两年博士后,然后入职了加州大学洛杉矶分校。此时,她有机会用上更大的望远镜——位于夏威夷莫纳克亚山凯克天文台(W。 M。 Keck Observatory)10米口径的望远镜。盖兹认为,“望远镜越大意味着看到的细节越多,或许我们可以更清晰地看到银河系的中心。凯克望远镜是我成功研究银河系中心黑洞的关键。”

凯克天文台由两座10米望远镜组成丨图源:Laurie Hatch/lauriehatch.com凯克天文台由两座10米望远镜组成丨图源:Laurie Hatch/lauriehatch.com

  银河系中心的故事可谓源远流长。一百年前,美国天文学家沙普利(Harlow Shapley)最先确定了银河中心方向在人马座位置。1931年美国工程师卡尔·央斯基(Karl G。 Jansky)用他自己制造的“旋转木马”发现了来自银河系中心区域人马座的射电信号,这也是人类第一次来自地球之外的射电信号,从而开创了射电天文学,央斯基也因此成为了射电天文学之父。然而,科学家一直不清楚信号的具体位置。1971年英国理论天体物理学家唐纳德·林登贝尔(Donald Lynden-Bell)和马丁·里斯(Martin Rees)首次提出银河系中心应该有一个作为能源供给的黑洞,由于被气体和尘埃遮挡,光信号很难传到地球,他们建议通过射电干涉测量搜寻。1974年,美国天文学家布鲁斯·巴里克(Bruce Balick)和罗伯特·布朗(Robert Brown)通过美国国家射电天文台(绿岸望远镜)发现了银河系中心的一个射线源,距离地球约26000光年,远超一般恒星发出的无线电波,后来被称之为人马座A*(Sgr A*)。那么它究竟是不是黑洞?

盖兹团队拍下的银河系中心图像。Sgr A*这一名字由罗伯特·布朗1982年提出,Sgr是人马座Sagittarius的缩写,A代表致密射电源,后来他加上了星号以跟其他射电源区分。因为他想起自己博士论文中原子激发态的表述是用星号,就随手一加。这一名字后来被普遍接受。丨图源:UCLA Galactic Center Group

盖兹团队拍下的银河系中心图像。Sgr A*这一名字由罗伯特·布朗1982年提出,Sgr是人马座Sagittarius的缩写,A代表致密射电源,后来他加上了星号以跟其他射电源区分。因为他想起自己博士论文中原子激发态的表述是用星号,就随手一加。这一名字后来被普遍接受。丨图源:UCLA Galactic Center Group

  上世纪90年代,有两个团队加入到Sgr A*的研究中,其中一个便是盖兹领衔的团队。在没有引力波探测的时代,要了解黑洞只能通过间接的观测手段,比如探测黑洞吸积爆发发出的射线,追踪周围星体围绕其运动等。盖兹团队所用的正是后者,通过对周围恒星运动轨道和周期的观测,以此推算中心天体的质量,尤其是距离中心最近的天体将决定中心物质的质量上限。

  凯克天文台台长希尔顿·刘易斯(Hilton Lewis)回忆说,当时盖兹向他提出了一个棘手的要求——修改已经测试好的软件以适用未经验证的技术。盖兹要把望远镜的红外照像机加入散斑成像技术。最初刘易斯干脆表示“没门”,但在盖兹的坚持下,他也不断让步最终同意了,他说,“这种决心和冒险意愿一直是安德莉娅的特点。”

  从1995年起,盖兹和她的团队开始追踪Sgr A*周围的天体。当她第二次去观测,就发现照片显示恒星改变了位置,她和团队非常兴奋。1998年,盖兹团队分别比较了凯克望远镜对Sgr A*区域散斑成像后的数据,中心区域精度提高了4倍,当时他们计算银河系中心的黑洞为260万倍太阳质量。

  如果仅是通过直接观测恒星运动,天文学家只能得到一个二维平面内的运动。为了了解恒星靠近或远离地球的运动,即观测径向速度,天文学家会观测恒星光谱波长的变化(红移或蓝移)来计算。这样做需要测量大量的光线,尤其是对较暗的恒星。为此盖兹等人一起开发了适用凯克望远镜的自适应光学(Adaptive optics,AO)系统。

AO系统原理图。激光系统发出的光可以作为人工导星,以感应大气变化。由激光(1)产生的亮斑图像可以进入一个可快速形变的副镜(2),副镜背面有数百个压电晶体使其可以根据大气扰动反向匹配形变,即有效地校正了科学图像中的大气湍流(3)。丨图源:Scientifc Background on the Nobel Prize in Physics 2020AO系统原理图。激光系统发出的光可以作为人工导星,以感应大气变化。由激光(1)产生的亮斑图像可以进入一个可快速形变的副镜(2),副镜背面有数百个压电晶体使其可以根据大气扰动反向匹配形变,即有效地校正了科学图像中的大气湍流(3)。丨图源:Scientifc Background on the Nobel Prize in Physics 2020

  自适应光学是校正动态光学波前误差的技术,早在上世纪50年代被提出用来补偿大气对天文观测的扰动。后来这项技术在美国“星球大战”计划下大力发展,用在了间谍卫星上——大气在中间,无论观天还是望地都是一个障碍。随着技术解密,天文学家有机会用到了这项“黑科技”。

凯克望远镜制造的激光导星。AO与散斑成像结合将获得高精度图像。图源:Ethan Tweedy Photography/ethantweedie.com凯克望远镜制造的激光导星。AO与散斑成像结合将获得高精度图像。图源:Ethan Tweedy Photography/ethantweedie.com

  盖兹比喻说,大气就像游乐园里的哈哈镜,本来星空图像被扭曲了,我们要做一个反向形状的镜子以抵消被扭曲的效果。作为最早的AO用户之一,盖兹他们开发的程序让图像比之前清晰了20倍。每年他们都拍下恒星的照片,最终发现了轨道环绕的秘密。

银河系中心自适应光学系统关闭和打开的对比图丨图源:UCLA Galactic Center Group银河系中心自适应光学系统关闭和打开的对比图丨图源:UCLA Galactic Center Group

  2002年,盖兹团队结合散斑成像和AO计算得到了Sgr A*周围一颗恒星的完整轨道,这颗恒星被他们命名为S0-2(S0-2也被称作S2。S0代表Sgr A*半径一角秒内的天体,2代表距离中心第二近的恒星)。S0-2轨道周期只有不到16年(相比之下太阳围绕银河系中心运动一周要2亿多年),速度高达每秒5000千米,最接近中心时的距离只有120个天文单位,不到冥王星到太阳距离的两倍。理论计算表明,Sgr A*约400万倍太阳质量。在如此之小的范围内存在如此巨大的质量,“这就是黑洞存在的证据,我们别无选择。” 盖兹说。

盖兹团队模拟出Sgr A*周围恒星的运动轨迹,其中S0-2得到了完整轨道。丨图源:Keck/UCL Galactic Center Group

盖兹团队模拟出Sgr A*周围恒星的运动轨迹,其中S0-2得到了完整轨道。丨图源:Keck/UCL Galactic Center Group

  25年竞争之路

  在盖兹奋勇向前的路上,一直有一位“宿敌”——他就是今年一同获奖的德国天文学家莱因哈德·根泽尔(Reinhard Genzel)。根泽尔算是盖兹的前辈,1992年起就用欧洲南方天文台(ESO)位于智利的新技术望远镜(NTT,主镜口径3.58米;后来用8.2米甚大望远镜VLT)追踪恒星S0-2,得到轨道周期数据也比盖兹团队稍早几个月,所以他应该是最早证明了银河系中心存在超大质量黑洞。根泽尔团队与盖兹团队各自独立得出的结论是高度一致的。实际上,根泽尔团队所用命名是S2,至今两个团队也并未统一名称。

莱因哈德·根泽尔(Reinhard Genzel,1952)。甘泽尔学生时代曾是德国最好的标枪运动员,后来学习物理后走上科学之路。图源:NBC莱因哈德·根泽尔(Reinhard Genzel,1952)。甘泽尔学生时代曾是德国最好的标枪运动员,后来学习物理后走上科学之路。图源:NBC

  盖兹把她上学时候和男生竞赛的劲头也放在了黑洞观测上。2005年盖兹团队首先拍摄了第一张激光引导AO银河系中心照片。而根泽尔团队于2008年先获得了S2轨道的完整观测数据,完美符合理论预测。2008年邵逸夫天文学奖只奖给了根泽尔一人(或许是因为根泽尔最先给出了观测证据),而盖兹拿下了同年的麦克阿瑟“天才奖”。2012年盖兹团队发现了比S2更靠近中心的恒星S0-102(也被称为S55),轨道周期仅为11.5年。这颗星的发现将为天文学家希望了解极端条件下的天体物理过程起到重要作用,尤其是通过引力红移检验广义相对论。但现有观测能力有限,他们把目标还是放在了S0-2上。

  2018年5月,S0-2经过距离黑洞最近的点,根泽尔团队对其光谱引力红移精准测量发现符合广义相对论预言,这也是首次广义相对论在超大质量黑洞附近成功验证。盖兹团队不甘示弱,2019年他们发表了更全面的测试结果。除了广义相对论所描述的时空弯曲,导致红移的还有许多其他因素,因此需要在多个位置观测。测量S0-2光谱红移有三个关键节点,分别是速度最大点,速度最小点和距离黑洞最近点(很显然根泽尔团队是抢先了)。真正有意义的引力红移数据决定于S0-2在几个关键位置上光谱红移的差值和S0-2的精确运动轨道参数。盖兹团队结合过去22年来观测数据,观测了三个关键位置,再次证明了爱因斯坦的伟大理论。

S0-2在黑洞周围运动轨迹艺术图,再靠近黑洞时发生引力红移。图源:ESO/M。 KornmesserS0-2在黑洞周围运动轨迹艺术图,再靠近黑洞时发生引力红移。图源:ESO/M。 Kornmesser

  当然,两家团队对未解现象也会针锋相对地提出不同观点。比如根泽尔团队在2011年发现了Sgr A*附近高速运动的致密气体云(被称之为G2)正在落入黑洞,由于巨大的引力而“面条化”(spaghettification),并且预测在2013年抵达黑洞最近距离,被完全吞噬爆发剧烈的X射线。但是后来天文学家并没有发现任何剧烈的过程。2014年,盖兹团队的观测结果表明G2在接近黑洞时显示出了潮汐作用,而运动模型与开普勒轨道模型一致,他们认为G2中心藏有一颗恒星,并且是双星合并后形成的。但是盖兹的结论也仅是理论猜想,不温不火的G2究竟是什么至今尚无定论。

  在科学史上互相竞争的情况十分常见,但是像盖兹和根泽尔这样明争暗斗还共同获奖的劲敌恐怕是不多见的。2012年瑞典皇家科学院将素有天文学界诺贝尔奖的克雷福德奖颁给了两人,盖兹也是该奖项历史上首次女性得主。如今又一同获得诺贝尔奖物理学奖,新闻发布会后的采访中,盖兹表示,“没有什么比竞赛更能让人前进了!”他们的竞争之路看起来还很漫长,就在今年早些时候盖兹团队发表论文,他们发现Sgr A*周围几个与G2相似的奇怪天体。仍在当打之年的他们现在还盯着银河系的中心,或许未来还有更重大的发现。

  25年来,盖兹追踪了超过3000颗恒星,把超大质量黑洞存在的最佳证据呈现了世人,如果说这是25年磨一剑,那也不得不提一句“磨刀石”——更强大观测技术。而且在这方面根泽尔团队也不遑多让,即使他们并不是真正制造“磨刀石”的人,但他们各自独立开发了适用的散斑成像和AO系统。

  盖兹目前是未来30米望远镜(TMT)的科学顾问委员会成员,参与了望远镜主要设备红外成像光谱仪(IRIS)的早期设计,新一代观测设备再次突破极限,发现黑洞更深的奥秘。

30米望远镜主镜艺术图丨图源:tmt.org30米望远镜主镜艺术图丨图源:tmt.org

  做女性的榜样

  除了在科研上不断突破,盖兹还投入了不少精力做科普,参与公众演讲传播天文知识,还经常担任纪录片或电影的科学顾问,著名科幻电影《星际穿越》幕后就有她的工作。“激励公众,培养下一代科学家,并通过团队的发现和合作打破性别偏见”,是她创立的UCLA银河中心团队的三大任务之一,与两大科研任务——探索黑洞和推动下一代望远镜及相关技术——并列。

  对盖兹来说,激励女性投身到科学领域是她的使命。在2006年美国公共广播公司的采访中,她被问到如何鼓励更多的女孩以及年轻女性投入到科学事业中,她回答:“我认为最重要的事情就是向她们展示没有不可能……最好的方法是为她们树立榜样,向她们展示这些领域里有女性。”“我喜欢(成为榜样),这很令人兴奋,这让我觉得自己在做一些真正有意义的事情。”

  盖兹自己以身作则,她早在博士期间要求去教本科生的物理课程,就是为了向学生展示女孩也可以学好物理。而本来学校是不允许博士生给本科生上课的。她的导师、美国著名的红外天文学家Gerhart Neugebauer支持了她,盖兹还因此获得了学校的教学奖。1995年时,她专门为小学生撰写了一本《你可以成为女天文学家》(You Can Be a Woman Astronomer)。现在盖兹还在给本科生上课,“这里是我有潜力产生最大影响的地方——表明女性可以从事自然科学。”为了给自己的学校和院系宣传,她还拍了宣传片,展现了一位天文学家的睿智和魅力。

  如今盖兹是第四位获得诺贝尔物理学奖的女科学家,她自信地说:“我很高兴成为年轻女性的榜样。”“我希望我能激发其他年轻女性加入这一领域,这是一个充满乐趣的领域。而且如果你对科学充满热情,那能做的事太多了。”


新闻来源:新浪