诺奖史上首位女天文学家,给女孩树立榜样,她做到了

澎湃新闻 阅读:3494 2020-10-16 18:38:31

原标题:诺奖史上首位女天文学家,给女孩树立榜样,她做到了

原创 刘辛味 返朴

2020年诺贝尔物理学奖得主安德莉娅·盖兹是诺贝尔物理学奖史上第四位女性得主。她从1995年开始投入到探索黑洞的研究中,如今依然奋战在一线。除了她对物理的热爱,对黑洞的好奇,以及持之以恒的观测,运用最新的技术手段是她成功的关键。盖兹一直以女性榜样的身份从事着科学事业,希望有更多的女孩加入到这一领域。

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。

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

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

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。

凯克天文台模拟黑洞周围恒星运动的3D动画。蓝绿色代表年轻恒星,橙色代表老年恒星,品红色为未知类型恒星。丨视频来源:U. of Illinois NCSA Advanced Visualization Laboratory .

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. 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.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。”

参考资料

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30. 37 Questions with Andrea Ghez. https://www.youtube.com/watch?v=o-Tnc3CUsEM&ab_channel=UCLACollege

31. https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2020/ghez/interview/

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