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诺奖史上首位女天文学家,给女孩建立典范,她做到了

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人得主。她从1995年开端投入到探究黑洞的研讨中,现在仍然奋战在一线。除了她对物理的酷爱,对黑洞的猎奇,以及锲而不舍的观测,运用最新的技能手法是她成功的要害。盖兹一向以女人典范的身份从事着科学事业,期望有更多的女孩参加到这一范畴。

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地理学家安德莉娅·盖兹。她是继居里夫人、梅耶和唐娜·斯特里克兰之后第四位取得此项荣誉的女科学家。在地理学范畴,优异的女科学家许多,并且相较于其他理工学科,女人在地理学研讨上有长远的前史。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作业,成为英国首个取得官方职位的女人。现在,银河探险家盖兹,因发现银河系中心超大质量细密天体——黑洞,成为诺奖前史上首位女地理学家。

安德莉娅·盖兹 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比赛成功之时度过,当4岁时看到阿波罗11号登月成功,她被深深地震慑了。盖兹仍深刻地记取自己的慷慨激昂:“我对母亲宣告,我将成为第一个登上月球的女孩!”开通的爸爸妈妈尊重了她的主意,他们一向鼓舞盖兹去寻求任何感爱好的东西,还给她买了一架望远镜。可是,这个爱好并没有继续多久,老工业城市芝加哥的天空早早地把未来的女航天员摧残在了摇篮里。但观星的种子仍是埋在了她心底,仅仅其时她自己还不知道。

小孩的爱好总是会变的,上过舞蹈课后,盖兹决议未来成为一名芭蕾舞演员,可对舞蹈的热心毕竟没抵得过数学的引诱。盖兹至今记住高中时班里墙上贴了一篇文章说,科学研讨标明男生比女生更拿手数学——现在咱们还能听见这样的错误噪声。而盖兹其时就标明不服,数学课上她向男生发起了应战。至于谁赢了,盖兹笑着说,“我做的很不错。”

除了数学题,盖兹还喜爱玩拼图之类的益智游戏,读一些侦探小说,然后在晚上考虑更艰深的问题——世界的止境在哪?为了寻觅答案,她决议走向科学之路。后来盖兹回忆说,高中时支撑她去研讨科学,对她影响最深的是高中化学教师朱迪斯·基恩,因为这是她学生年代遇到的仅有一位教科学课程的女教师。盖兹以为,在被男性主导的范畴里,她在那里,就现已说明晰全部。在得知盖兹取得诺奖后,Judith Keane承受采访时说,“她是一位出色的学生,能教这样特别的学生是教师的愿望。”

1990年代盖兹在芝加哥阿德勒地理馆上宣布讲演后与教师朱迪斯·基恩合影丨图源:news.uchicago.edu/

1987年,盖兹进入麻省理工学院。当她发现物理学才或许协助自己找到终极答案之时,决断换了专业。“我爱数学,开端是数学专业然后转到了物理。”大学期间,盖兹给一位地理学家“打工”,成果第一次到地理台帮助就被这儿技能气氛所招引,点着了她的猎奇心。不管是硬件保护仍是软件编写,她都巴望学习。当她发现从世界深空中发来的X射线蕴含着天体隐秘时,脑海中显现了一个主意,一些射线源或许是黑洞——她好像找到了自己一生所向。盖兹回忆说:“我彻底被黑洞迷住了,我爱上了这份作业。”

实际上,在盖兹大学时期,地理学家现已观测到黑洞存在的依据,但还远谈不上证明。盖兹有时机成为第一个证明银河系中心存在超大质量黑洞的女科学家,现在咱们知道她做到了。

用前沿技能

1987年盖兹结业后来到加州理工学院攻读博士学位,因为这儿对她来说具有最好的“玩具”,这儿有其时世界上最大的望远镜之一,坐落帕洛马山地理台的5米海尔望远镜。不过,还有一个小玩具更让她入神——散斑成像。

在2013年Nature的采访中,盖兹透露出自己是个技能控。“我喜爱冒险测验新技能,或许行不通,但或许会翻开一扇了解世界的新窗口,答复一些你甚至都不知道去问的问题。” 散斑成像在其时并不算是个新技能,可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构成一个圆斑,即艾里斑。但大气湍流的搅扰,单个艾里斑会被变成一系列“散斑”,其实便是由一系列相干的波前相互干与发生的图画,这使望远镜分辨率达不到其理论极限,特别关于拍照悠远的恒星来说,图画非常含糊。

实际上,早在牛顿年代的学者就留意到了散斑现象,牛顿其时就提出过为什么能调查到恒星的闪耀现象而调查不到行星的相似现象,现在人们知道这是光的空间相干性不同所造成的。但直到20世纪60年代激光器诞生后,激光散斑得到注重,也出现了新的用处。物理学家发现散斑能够作为信息载体而用于图画处理,经过傅里叶变换重建原始图画。在地理观测中,地理学家运用散斑进步分辨率。

双子座地理台Alopeke宽场成像仪对木星成像比照,左图为视宁度效应极限的效果,右为散斑成像后效果 丨图源:Physics Today

在盖兹读博时期,散斑成像技能在可见光波段的运用现已非常老练,经过在极短时间内曝光拍下很多相片,挑选效果最好的一些图画进行位移叠加取均匀得出最佳图画,再从中提取信息。但这种办法在其时也有显着的缺陷,只能对亮堂的天体运用,并且在核算机并不兴旺年代,功率不高。跟着90年代末电子倍增CCD相机引进到地理学范畴中,大幅进步了观测较暗天体的才能,散斑成像也再次赢来了活力。

盖兹参加了一个小组,他们正在开发一种依据红外线的散斑成像技能,用于勘探被星际尘土掩盖的活动星系核宣布的红外线,比方漩涡星系和椭圆星系中心,地理学家以为这儿或许存在黑洞。盖兹担任了编写图画剖析软件,使设备具有尽或许高的分辨率。惋惜开端的测验并不成功,她没看到活动星系的中心,博士论文只好转向了另一个方针,同样是亮堂天体——银河系的重生恒星。

盖兹研讨生计前期首要会集在恒星构成的问题上。地理学家以为恒星诞生于星际气分子云密布的区域,云核坍缩构成恒星。可是银河系内有很多的双星体系,相互盘绕的恒星又是怎么构成的?是别离构成后某种办法挨近,仍是天然生成如此?盖兹运用此前在散斑成像堆集的经历,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,它们以双星的方式存在,如此年青又靠得很近,意味着双星体系或许便是成对构成的。这对地理学家寻觅系外行星有重要影响,因为行星被以为难以在双星体系杂乱的引力场中构成。

时机与危险并存,咱们要总结盖兹的成功之路,那便是对数学物理上耐久的酷爱与猎奇心,促进她去运用最早进的技能,这会是未来做出更大发现——承认银河系超大质量黑洞的要害。

方针:银河系中心

1992年盖兹取得了博士学位,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。此刻,她有时机用上更大的望远镜——坐落夏威夷莫纳克亚山凯克地理台10米口径的望远镜。盖兹以为,“望远镜越大意味着看到的细节越多,或许咱们能够更明晰地看到银河系的中心。凯克望远镜是我成功研讨银河系中心黑洞的要害。”

凯克地理台由两座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源不绝。一百年前,美国地理学家沙普利最早确认了银河中心方向在人马座方位。1931年美国工程师卡尔·央斯基用他自己制作的“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,然后创始了射电地理学,央斯基也因而成为了射电地理学之父。可是,科学家一向不清楚信号的具体方位。1971年英国理论天体物理学家唐纳德·林登贝尔和马丁·里斯初次提出银河系中心应该有一个作为动力供应的黑洞,因为被气体和尘土遮挡,光信号很难传到地球,他们主张经过射电干与丈量搜索。1974年,美国地理学家布鲁斯·巴里克和罗伯特·布朗经过美国国家射电地理台发现了银河系中心的一个射线源,间隔地球约26000光年,远超一般恒星宣布的无线电波,后来被称之为人马座A*。那么它终究是不是黑洞?

盖兹团队拍下的银河系中心图画。Sgr A*这一姓名由罗伯特·布朗1982年提出,Sgr是人马座Sagittarius的缩写,A代表细密射电源,后来他加上了星号以跟其他射电源区别。因为他想起自己博士论文中原子激起态的表述是用星号,就顺手一加。这一姓名后来被遍及承受。丨图源:UCLA Galactic Center Group

上世纪90年代,有两个团队参加到Sgr A*的研讨中,其间一个便是盖兹领衔的团队。在没有引力波勘探的年代,要了解黑洞只能经过直接的观测手法,比方勘探黑洞吸积迸发宣布的射线,追寻周围星体盘绕其运动等。盖兹团队所用的正是后者,经过对周围恒星运动轨迹和周期的观测,以此暗地中心天体的质量,特别是间隔中心最近的天体将决议中心物质的质量上限。

凯克地理台台长希尔顿·刘易斯回忆说,其时盖兹向他提出了一个扎手的要求——修正现已测验好的软件以适用未经历证的技能。盖兹要把望远镜的红外照像机参加散斑成像技能。开端刘易斯爽性标明“没门”,但在盖兹的坚持下,他也不断退让终究赞同了,他说,“这种决计和冒险志愿一向是安德莉娅的特色。”

从1995年起,盖兹和她的团队开端追寻Sgr A*周围的天体。当她第2次去观测,就发现相片显现恒星改变了方位,她和团队非常振奋。1998年,盖兹团队别离比较了凯克望远镜对Sgr A*区域散斑成像后的数据,中心区域精度进步了4倍,其时他们核算银河系中心的黑洞为260万倍太阳质量。

咱们仅是经过直接观测恒星运动,地理学家只能得到一个二维平面内的运动。为了了解恒星挨近或远离地球的运动,即观测径向速度,地理学家会观测恒星光谱波长的改变来核算。这样做需求丈量很多的光线,特别是对较暗的恒星。为此盖兹等人一起开发了适用凯克望远镜的自适应光学体系。

AO体系原理图。激光体系宣布的光能够作为人工导星,以感应大气改变。由激光发生的亮斑图画能够进入一个可快速形变的副镜,副镜反面稀有百个压电晶体使其能够依据大气扰动反向匹配形变,即有效地校对了科学图画中的大气湍流(3)。丨图源:Scientifc Background on the Nobel Prize in Physics 2020

自适应光学是校对动态光学波前差错的技能,早在上世纪50年代被提出用来补偿大气对地理观测的扰动。后来这项技能在美国“星球大战”方案下大力开展,用在了间谍卫星上——大气在中心,不管观天仍是望地都是一个妨碍。跟着技能解密,地理学家有时机用到了这项“黑科技”。

凯克望远镜制作的激光导星。AO与散斑成像结合将取得高精度图画。图源:Ethan Tweedy Photography/ethantweedie.com

盖兹比方说,大气就像游乐园里的哈哈镜,原本星空图画被歪曲了,咱们要做一个反向形状的镜子以抵消被歪曲的效果。作为最早的AO用户之一,盖兹他们开发的程序让图画比之前明晰了20倍。每年他们都拍下恒星的相片,终究发现了轨迹盘绕的隐秘。

银河系中心自适应光学体系封闭和翻开的比照图丨图源:UCLA Galactic Center Group

2002年,盖兹团队结合散斑成像和AO核算得到了Sgr A*周围一颗恒星的完好轨迹,这颗恒星被他们命名为S0-2。S0-2轨迹周期只要不到16年,速度高达每秒5000千米,最挨近中心时的间隔只要120个地理单位,不到冥王星到太阳间隔的两倍。理论核算标明,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,“这便是黑洞存在的依据,咱们别无挑选。” 盖兹说。

盖兹团队模仿出Sgr A*周围恒星的运动轨迹,其间S0-2得到了完好轨迹。丨图源:Keck/UCL Galactic Center Group【视频请前往“返朴”观看】

25年比赛之路

在盖兹奋勇向前的路上,一向有一位“宿敌”——他便是本年一起获奖的德国地理学家莱因哈德·根泽尔。根泽尔算是盖兹的长辈,1992年起就用欧洲南边地理台坐落智利的新技能望远镜追寻恒星S0-2,得到轨迹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晰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起的。实际上,根泽尔团队所用命名是S2,至今两个团队也并未一起称号。

莱因哈德·根泽尔。甘泽尔学生年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

盖兹把她上学时分和男生比赛的劲头也放在了黑洞观测上。2005年盖兹团队首要拍照了第一张激光引导AO银河系中心相片。而根泽尔团队于2008年先取得了S2轨迹的完好观测数据,完美契合理论猜测。2008年邵逸夫地理学奖只奖给了根泽尔一人,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更挨近中心的恒星S0-102,轨迹周期仅为11.5年。这颗星的发现将为地理学家期望了解极点条件下的天体物理进程起到重要效果,特别是经过引力红移查验广义相对论。但现有观测才能有限,他们把方针仍是放在了S0-2上。

凯克地理台模仿黑洞周围恒星运动的3D动画。蓝绿色代表年青恒星,橙色代表晚年恒星,品红色为不知道类型恒星。丨视频来历:U. of Illinois NCSA Advanced Visualization Laboratory .【视频请前往“返朴”观看】

2018年5月,S0-2经过间隔黑洞最近的点,根泽尔团队对其光谱引力红移精准丈量发现契合广义相对论预言,这也是初次广义相对论在超大质量黑洞邻近成功验证。盖兹团队不甘示弱,2019年他们宣布了更全面的测验成果。除了广义相对论所描绘的时空曲折,导致红移的还有许多其他要素,因而需求在多个方位观测。丈量S0-2光谱红移有三个要害节点,别离是速度最大点,速度最小点和间隔黑洞最近点。真实有意义的引力红移数据决议于S0-2在几个要害方位上光谱红移的差值和S0-2的准确运动轨迹参数。盖兹团队结合曩昔22年来观测数据,观测了三个要害方位,再次证明晰爱因斯坦的巨大理论。

S0-2在黑洞周围运动轨迹艺术图,再挨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互不相让地提出不同观念。比方根泽尔团队在2011年发现了Sgr A*邻近高速运动的细密气体云正在落入黑洞,因为巨大的引力而“面条化”,并且猜测在2013年抵达黑洞最近间隔,被彻底吞噬迸发剧烈的X射线。可是后来地理学家并没有发现任何剧烈的进程。2014年,盖兹团队的观测成果标明G2在挨近黑洞时显现出了潮汐效果,而运动模型与开普勒轨迹模型一起,他们以为G2中心藏有一颗恒星,并且是双星兼并后构成的。可是盖兹的结论也仅是理论猜测,不温不火的G2终究是什么至今尚无结论。

在科学史上相互比赛的状况非常常见,可是像盖兹和根泽尔这样尔虞我诈还一起获奖的劲敌恐怕是不多见的。2012年瑞典皇家科学院将素有地理学界诺贝尔奖的克雷福德奖颁给了两人,盖兹也是该奖项前史上初次女人得主。现在又一起取得诺贝尔奖物理学奖,新闻发布会后的采访中,盖兹标明,“没有什么比比赛更能让人前进了!”他们的比赛之路看起来还很绵长,就在本年早些时分盖兹团队宣布论文,他们发现Sgr A*周围几个与G2相似的古怪天体。仍在当打之年的他们现在还盯着银河系的中心,或许未来还有更严重的发现。

25年来,盖兹追寻了超越3000颗恒星,把超大质量黑洞存在的最佳依据出现了世人,咱们说这是25年磨一剑,那也不得不提一句“磨刀石”——更强大观测技能。并且在这方面根泽尔团队也不遑多让,即便他们并不是真实制作“磨刀石”的人,但他们各自独立开发了适用的散斑成像和AO体系。

盖兹现在是未来30米望远镜的科学参谋委员会成员,参加了望远镜首要设备红外成像光谱仪的前期规划,新一代观测设备再次打破极限,发现黑洞更深的奥妙。

30米望远镜主镜艺术图丨图源:tmt.org

做女人的典范

除了在科研上不断打破,盖兹还投入了不少精力做科普,参加大众讲演传达地理常识,还常常担任纪录片或电影的科学参谋,闻名科幻电影《星际穿越》暗地就有她的作业。“鼓舞大众,培育下一代科学家,并经过团队的发现和协作打破性别成见”,是她创建的UCLA银河中心团队的三大任务之一,与两大科研任务——探究黑洞和推进下一代望远镜及相关技能——并排。

对盖兹来说,鼓舞女人投身到科学范畴是她的任务。在2006年美国公共广播公司的采访中,她被问到怎么鼓舞更多的女孩以及年青女人投入到科学事业中,她答复:“我以为最重要的工作便是向她们展示没有不或许……最好的办法是为她们建立典范,向她们展示这些范畴里有女人。”“我喜爱,这很令人振奋,这让我觉得自己在做一些真实有意义的工作。”

盖兹自己一马当先,她早在博士期间要求去教本科生的物理课程,便是为了向学生展示女孩也能够学好物理。而原本校园是不允许博士生给本科生上课的。她的导师、美国闻名的红外地理学家Gerhart Neugebauer支撑了她,盖兹还因而取得了校园的教育奖。1995年时,她专门为小学生撰写了一本《你能够成为女地理学家》。现在盖兹还在给本科生上课,“这儿是我有潜力发生最大影响的当地——标明女人能够从事自然科学。”为了给自己的校园和院系宣扬,她还拍了宣扬片,展示了一位地理学家的睿智和魅力。

现在盖兹是第四位取得诺贝尔物理学奖的女科学家,她自傲地说:“我很快乐成为年青女人的典范。”“我期望我能激起其他年青女人参加这一范畴,这是一个充溢趣味的范畴。并且咱们你对科学充溢热心,那能做的事太多了。”

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