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活着的传奇:黑洞照片的幕后英雄与拒绝领奖的抗争者

创新网 2020-01-21 15:13 出处:“返朴”公众号(ID:fanpu2019)正如鲁宾所说,玛格丽特用自己的光辉、努力、原创性与优雅迎接挑战;正如她的女儿萨拉所说,玛格丽特也许只是希望成为自己所在时代的最好的观测天文学家之一,但实际上却成了自己所在时代的最好的天文学家之" /> <meta name="tags" content="黑洞,天文台" /> <meta content="always" name="referrer" / 编辑:@科技资讯网
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来源:“返朴”公众号(ID:fanpu2019)

正如鲁宾所说,玛格丽特用自己的光辉、努力、原创性与优雅迎接挑战;正如她的女儿萨拉所说,玛格丽特也许只是希望成为自己所在时代的最好的观测天文学家之一,但实际上却成了自己所在时代的最好的天文学家之一。

撰文 | 王善钦

玛格丽特·伯比奇(Eleanor Margaret Peachey Burbidge,1919-)是20世纪天文学领域的风云人物,也被公认为还活着的最杰出的天文学家之一。在学术生涯前期,她辗转于不同的大学与天文台,与合作者完成恒星内部元素合成理论,成为破解星星内部秘密的核心人物之一(参见《百岁天文学家的传奇人生:她使用望远镜与手摇计算机破解了星星的奥秘》)。但她并未止步于此:她继续研究星系的旋转曲线,研究类星体的光谱,成为格林尼治天文台台长,参与哈勃太空望远镜光谱仪研制,带领团队发现M87中的黑洞——没错,这个黑洞就是去年刷屏的那张人类首次拍摄的黑洞照片里的那个。

星系旋转曲线与暗物质

在1953到1955年之间,玛格丽特一方面从观测与理论两方面分别研究恒星化学成分与元素产生的具体过程;另一方面,她在1954年读了一篇涉及星系亮度与星系质量比值的论文,然后立即决定测量“旋涡星系”的旋转曲线,以确定它们的质量与亮度之比。

在发表名垂青史的恒星元素解密论文的同一年,即1957年,玛格丽特与丈夫杰弗里·伯比奇都得到芝加哥大学的职位。当时芝加哥大学禁止裙带关系,夫妻俩不能同时在芝加哥大学担任教职。因此,杰弗里接受了芝加哥大学的教职,而玛格丽特成为Shirley Farr学者(博士后,不是教职),二人因此可以同时在芝加哥大学工作。这是玛格丽特第二次来到芝加哥大学工作。

也正是在1957年,玛格丽特的女儿萨拉(Sarah Burbidge,1957-)出生。从1957年到1962年,玛格丽特与杰弗里大部分时间虽然都在芝加哥大学的叶凯士天文台,但依然会在每年的暑期花一部分时间去帕萨迪纳与福勒合作,有时候霍伊尔也会从剑桥大学飞过来与他们一起讨论。

在这期间,夫妻俩继续使用望远镜观测星系和恒星的光谱,用这些谱线来分析星系与恒星的化学成分,并分析星系的旋转速度。光谱仪将星光分解之后,每个波段上的光都会变暗,为了让得到的光足够亮,必须长时间曝光,有些遥远天体的光谱非常暗淡,需要曝光3到5小时,才可以在底片上得到较好的光谱。玛格丽特与杰弗里常常在芝加哥寒冷的冬夜长时间站在望远镜前,眼睛不离目镜,持续观看好几个小时,以获取珍贵的光谱。

由于地球在自转,如果望远镜不转动,就会随着地球的自转而迅速偏离目标。因此,必须由电动机带动望远镜逆向转动,以确保望远镜在曝光过程中始终对准目标。在这个过程中,观测者也必须配合望远镜转动。总体上,这样的观测比较辛苦。

更痛苦的是一些意想不到的意外。有一次,控制望远镜的电动机在运转过程中卡住了杰弗里的胳膊,几乎挤断了他的手臂,玛格丽特与同事听到杰弗里的呼喊之后,立即切断电动机的电源,跑过去拉出杰弗里淤青的手臂。另一次,玛格丽特在麦克唐纳天文台观测一个星系时,从3米高的操作台摔到地面,这差点要了玛格丽特的命。幸好此时正是冬季,她衣服穿得厚,因此没有骨折,只是前额割伤,多处淤肿。

从母亲那里遗传下来的坚毅性格与自己对天空的痴迷,让玛格丽特坚持到底。当年天文台附近落下的炮弹都无法使她退却,寒冷与其他危险更不足以阻挡她的前进。

艰苦的努力,换来了丰硕的成果。玛格丽特、杰弗里与同事在一些星系的光谱中看到了一些倾斜、弯曲的线,据此计算出星系的旋转速度与星系内部的质量分布规律。

研究星系旋转曲线,可以计算出星系内暗物质所占的比例。早在1884年,开尔文勋爵(Lord Kelvin,William Thomson,1824-1907)就首先根据计算指出:银河系的真实质量比根据亮度计算出的质量大,因此银河系中存在大量不发光的暗星。他因此成为第一个提出暗物质概念的人。

1933年,兹威基(Fritz Zwicky,1898-1974)在测量“后发星系团”的质量与亮度比时发现,星系团里面绝大部分物质不发光,从而首次发现星系团中有大量暗物质。

几年后,巴博科克(Horace Welcome Babcock,1912-2003)利用利克天文台的折射望远镜,测量了星系M31外部区域的光谱,计算后发现:M31外部区域的旋转曲线与此前认为的很不一样。遗憾的是,他以为要么是一些光被尘埃严重吸收,要么是牛顿万有引力定律不适用于星系外部,而没有意识到他的工作其实已经证明M31的外部区域存在暗物质。巴博科克的这个重要结果在1939年发表后一直被同行忽视。

玛格丽特对星系质量与亮度比值的研究针对更多星系。这方面的工作一直持续到1963年。这一年,玛格丽特“搬家”了。

为了利克天文台,前往加州大学

在芝加哥大学工作期间(1957-1962)的末期,玛格丽特曾应邀前往利克天文台,在那里观测了几个月。利克天文台属于加州大学,位于加州北部海拔一千多米的哈密顿山上,是世界上第一个高山天文台,也是“大科学”*的起源地之一。哈密顿山山脚附近就是斯坦福大学与当时尚未成型的硅谷。

*编注:“大科学”(Big Science)是科学界在二战后提出的新概念,相对于个人或小团体参与的“小科学”而言。大科学研究的特点是投资规模大、多学科交叉、试验设备昂贵且复杂、研究目标宏大等,如国际空间站计划、大型强子对撞机计划(LHC)等。

本文作者于2017年在接近利克天文台的公路上拍摄的利克天文台的几个圆顶(左)与利克天文台主楼的大门(右)。| 拍摄/供图:王善钦

那时,利克天文台刚刚组装了一台3米口径的望远镜,这个望远镜大到足以在圆筒中间放一个笼子,让天文学家坐在笼子里搞观测。在此之前,加州理工学院管辖的帕洛玛天文台的5米望远镜就首先做到了这一点,而且他们可以从容地坐在椅子上,使用5米望远镜的人都自豪地称自己为“笼中人”。

本文作者于2017年拍摄的利克天文台主楼旁边用来安放3米口径望远镜的圆顶(左)与利克天文台3米口径望远镜的反射镜与支架(右)|拍摄/供图:王善钦

作为对比,当时芝加哥大学管理的麦克唐纳天文台的望远镜是2米口径的,里面无法放笼子,观测操作很麻烦,而且有时有危险——玛格丽特就曾经从观测平台摔下去,差点摔死。

更麻烦的是,当时德克萨斯大学奥斯汀分校已经开始准备建立自己的天文系,并开始洽谈接手麦克唐纳天文台管辖权的事务了。芝加哥大学即将失去麦克唐纳天文台,只剩下叶凯士天文台。叶凯士天文台里面最大的望远镜是1米口径的折射望远镜,无法与利克天文台3米口径的反射望远镜抗衡。

为了能长期使用利克天文台的3米望远镜,玛格丽特决定去掌管着利克天文台的加州大学。凭借B2FH论文以及自身在天文观测方面的众多成果所带来的荣誉,以及福勒、玛丽·迈耶 (Maria Mayer,1906—1972) 这两位后来都获得诺贝尔奖的权威人物的推荐信,玛格丽特与杰弗里很容易就拿到了加州大学圣迭戈校区的职位。

令玛格丽特与杰弗里更愉快的是,加州大学并不禁止夫妻俩同时在加州大学任教职,只要夫妻俩在不同的院系工作,就是允许的,这与当时的芝加哥大学不同。1962年,玛格丽特与杰弗里分别入职加州大学圣迭戈分校的化学系与物理系。玛格丽特终于可以经常坐进3米口径望远镜中间的笼子里彻夜观测了。

玛格丽特在利克天文台3米口径望远镜镜筒中的笼子里,进行夜间观测。|来源:Sarah Burbidge

当然,当年使用帕洛玛天文台5米口径望远镜的天文学家要舒服得多,他们可以坐在“笼子”里的椅子上观测,注意圆筒中心坐着的人。|来源:Palomar Observatory

今天的天文学家早已不用在寒冷的夜晚坐在狭小的笼子里彻夜观测,观测助手在圆顶外圈的房间里舒适地吹着暖气,需要数据的天文学家甚至基本上可以不上山,在远离天文台的观测室与观测助手远程沟通,就可以拿到观测数据。有的望远镜则实现了自动化,观测时望远镜圆顶里面与外圈都没有人,需要数据的天文学家只需要输入坐标和观测时间等重要参数,就等着计算机自动安排观测、传输数据。但在玛格丽特的年代,能够躲在那样一个狭窄的笼子里观测星空,却是一个观测天文学家的莫大幸福。

挥一挥衣袖,不带走一片云彩

在1963年入职加州大学圣迭戈分校之后,玛格丽特一度继续研究星系的旋转曲线。这一年,34岁的薇拉·鲁宾(Vera Rubin,1928-2016)恰好也来到了圣迭戈分校,三人因此成为同事,玛格丽特算是鲁宾的前辈。

当时,玛格丽特本可以继续研究星系旋转曲线——如果那样,以后鲁宾的光辉将因此黯淡。但她却在1963年转向了另一个领域。她与杰弗里在1964年发表了一篇研究星系M51旋转曲线的论文,这篇论文可以被视为此前他们在这个领域的工作的收尾,也是这方面的代表作之一。

玛格丽特的方法后来被鲁宾发扬光大。鲁宾测定了更多星系的旋转曲线,然后断定大部分星系中都包含大量暗物质,她与合作者在70年代写了多篇论文。1980年,鲁宾发表了一篇论述星系旋转曲线与暗物质的重量级论文,这篇论文引用了玛格丽特与杰弗里发表于1964年的那篇论文,从中也可以看出玛格丽特的工作对鲁宾的影响。事实上,玛格丽特的工作是巴博科克与鲁宾的工作之间的一个重要过渡。玛格丽特放弃了进一步确认星系内暗物质的机会,将这个机会留给了鲁宾。她挥一挥衣袖,不带走一片云彩。

其实,1953年,34岁的玛格丽特与25岁的鲁宾就已经在一次会议上首次见面并合影了,这两人大概是史上最强闺蜜了。| 来源:https://cswa.aas.org/status/2001/JANUARY2001/Rubin.htm

转向类星体

是什么使玛格丽特在1963年放弃星系旋转曲线方面的工作?答案是:类星体。

二战结束后,射电天文学迅速发展,射电天文学家在天空中发现了大量发出强烈辐射的射电源。当时天文学家为了确认这些射电源的本质,便用光学望远镜观测可能伴随它们的光学辐射,结果发现有些射电源发出明亮的蓝色光。

这些射电源对应的光学辐射的光谱很奇怪,后来有人发现它们的光谱是波长被显著拉长的光谱。根据波长被拉长的数值,可以计算出它们远离地球的速度,进而算出它们与地球的距离。

计算表明,这些蓝色星体距离地球达到了几十亿光年,但看起来却依然很亮,这意味着它们的真实亮度远超过银河系的总亮度。一个看上去像恒星的物体,何以有这么高的亮度?

这些奇怪的天体在当时就已引起了天文学界的强烈兴趣,并且被公认为60年代天文学四大发现之一。玛格丽特称这些物体为“类似恒星的物体”( Quasistellar Object),简称QSO,这个名词至今还在被使用。后来有人直接称它们为“类星体”(quasar)。

玛格丽特观测了大量类星体的光谱,发现它们的光谱确实都被显著拉长了。但她没有意识到光波被拉长是由于巨大的远离速度、巨大的距离引起的,所以她没有发现类星体光谱所蕴含的奥秘。尽管如此,玛格丽特依然在类星体光谱观测方面做出了巨大的成就,确认了许多类星体的光谱特征。

玛格丽特在类星体光谱观测方面的领先地位至少保持了十几年甚至二十多年,她在70年代用利克天文台的3米口径望远镜确认了一个远到破纪录的类星体,这个记录过了将近10年后才被其他天文学家打破。当然,她自己并不相信自己看到的这个类星体有那么远。

鲁宾后来回忆玛格丽特时说:“在她的整个职业生涯中,玛格丽特一直是星系、旋转曲线、类星体红移研究及其解释方面的一位领袖。”(“Throughout her career,Margaret has been a leader in the study of galaxies,rotation of galaxies,QSO redshifts,and their interpretation.”)

上世纪90年代,惺惺相惜的两个强大而乐观的老太太——鲁宾(左)与玛格丽特(右)——在英国剑桥的合影。|来源:https://cswa.aas.org/status/2001/JANUARY2001/Rubin.html

在入职圣迭戈大约两年后(1965年),学校进一步解除限制,允许夫妻在同一个系工作,玛格丽特被调到物理系,此后几年一直在物理系工作,并使用利克天文台的望远镜进行观测。

抗拒性别歧视,拒领女性天文奖项

1971年,美国天文学会决定授予玛格丽特“安妮·坎农天文奖”。坎农(Annie Jump Cannon,1863-1941)是哈佛大学天文台的一位女性天文学家,她带领同事们完成了恒星光谱分类的壮举,这个分类法后来被命名为“哈佛分类法”,至今依然是最重要的恒星光谱分类法。

在哈佛大学天文台办公室里的安妮·坎农。| 来源:Smithsonian Institution Archives;Accession number: SIA2008-0647

但坎农一辈子都没有得到她应该得到的地位,仅仅因为她是妇女。讽刺的是,为了纪念坎农的贡献,美国天文学会在坎农去世之前就设立了“安妮·坎农天文奖”,这个奖只授予女性天文学家,从1934年开始,每三年发一次,直到1974年才改为两年发一次,1988年开始改为一年发一次。

玛格丽特早已为坎农受到的不公平遭遇而不平,更认为设立这个奖本身就是性别歧视。所以她在接到获奖通知后,写信拒绝了坎农奖,她认为:“这个奖虽然是在奖励女性,但也是在歧视女性。”这使得当时还是三年颁奖一次的坎农奖在1968年与1974年都有得主,却1971年那一次没有得主。这也是坎农奖至今为止唯一的一次空缺。

她拒绝这个奖的另一个原因是:她不希望被人放在女性天文学家中排序,她希望与所有男性同行一决胜负,她要的是男女都有机会得奖的奖项。尽管她拒绝领奖的行为引发了一些争议,让一些人失望,但也促使更多人反思性别歧视问题。

格林尼治天文台台长:一段非常不愉快的经历

在玛格丽特拒绝坎农奖的同一年,即1971年,英国皇家格林尼治天文台的台长卸任,天文台主任邀请玛格丽特担任该台新台长。经过反复的邀请与推辞,对方最后承诺让杰弗里也来天文台一起工作。多次推脱之后的玛格丽特勉强答应担任台长,并于1972年秋天离开了加州大学圣迭戈分校。

上任之后,玛格丽特成为格林尼治天文台近300年来第一个女性台长。但另一件事让她有些失落:她没有被任命为皇家天文学家。而此前近300年,得到这一职位的都是皇家天文学家,或者同时被任命为皇家天文学家。那一年,射电天文学家、后来获得诺贝尔物理学奖的赖尔(Martin Ryle,1918-1984)被任命为皇家天文学家。

玛格丽特认为,自己未被同时任命为皇家天文学家,是性别歧视的结果。的确,赖尔有资格得到这个头衔,但有关机构在任命玛格丽特为格林尼治天文台台长的时候,破了300年来默认的规则,不给她皇家天文学家的头衔,而给了别人,这确实有故意的嫌疑,也因此有性别歧视的嫌疑。

1902年的一张明信片上的皇家格林尼治天文台。| 来源:Wikipedia

比没有被任命为皇家天文学家更让玛格丽特郁闷的是台内的派系纷争与台内对其丈夫杰弗里的轻视与排挤。首先,台里分为两大派系,一派是少壮派,另一派是守旧派。玛格丽特上任后不久,守旧派委派一位成员来到玛格丽特办公室,告诉她:以后不欢迎杰弗里来参加这里的任何会议。

玛格丽特深感窘迫。杰弗里的能力比台里其他几乎所有人都强得多,却仅仅因为是台长的丈夫就被当做关系户而被排挤、歧视。真正讽刺的是,当初天文台主任以欢迎杰弗里也来台里工作,作为邀请玛格丽特的条件之一。

几星期之后,被歧视、被排挤的杰弗里离开格林尼治天文台,带着女儿回到加州大学圣迭戈分校。为了完成2.5米口径的牛顿望远镜的搬迁事务,玛格丽特一直忍着持续的强烈不愉快。在望远镜成功搬迁到一个好地方之后,玛格丽特立即辞职,此时距离她任职仅一年半。辞职后,玛格丽特遇到一次车祸,几个月之后,才终于回到了加州大学圣迭戈分校,此时已经是1973年。玛格丽特离开英国的消息在英国媒体上引起热议。比如,有一家媒体撰文《伟大的女天文学家再次离开英国》。

参与设计哈勃太空望远镜的光谱仪

从1979 到1988年,玛格丽特担任加州大学圣迭戈分校天文与空间科学中心的第一任主任,并参与大型太空望远镜(LST)的设计任务。

在升空之前,望远镜系统由7大部分构成:望远镜飞船系统、反射镜、5个测光与测谱仪器。哈佛/斯密森小组建了一个小组负责设计其中一种测谱仪器——“暗天体光谱仪”,在光谱仪方面有丰富经验的玛格丽特应邀加入了这个小组,成为共同负责人之一。后来加州大学圣迭戈分校小组也加入进来,与哈佛/斯密森小组配合。

哈勃太空望远镜中的暗天体光谱仪。|来源:NASA/ESA

1990年,这个望远镜在几经推迟之后,终于被“发现号”航天飞机带上太空,里面搭载着玛格丽特参与设计的暗天体光谱仪。这个望远镜就是后来闻名于世的 “哈勃太空望远镜(HST)”。玛格丽特参与设计的暗天体光谱仪在太空工作了7年,直到1997年才被替换。

玛格丽特负责领导一个小组分析这个光谱仪得到的数据。她自己也在戈达德飞行中心首次使用这个光谱仪拍摄星系光谱。当她看到此前从未看到过的远紫外线光谱被这个在太空运行的光谱仪拍摄下来并传到地面时,她说自己当时的心情就像当年第一次拍到星系的光谱那样极端愉快。

玛格丽特带领的小组在分析了星系M87的数据之后,首次证实这个星系中心有一个超大质量黑洞。2019年4月10日,多个射电望远镜联合构成的“事件视界望远镜” (Event Horizon Telescope,EHT) 拍摄到的第一张黑洞照片被公布,这张照片是人类首次拍摄到的黑洞照片。而这个黑洞,就是M87中心的那个黑洞。

事件视界望远镜(EHT)拍摄到并在2019年4月10日公布的M87中心的黑洞与周围物质的射电图像。| 来源:EHT

一个活着的传奇

1994年,应《天文与天体物理学年鉴》(ARAA)邀请,玛格丽特写了自传,名为《观天者》(Watcher of the Skies) 。在这篇文章中,她回顾了自己从出生到当时的70多年的人生。那时候,B2FH四人组还全部健在。写完那篇文章之后的第二年,即1995年,福勒去世;2001年,霍伊尔去世;2010年,杰弗里去世。玛格丽特成为当年B2FH四人组中唯一一位还在世的人。

2006年,87岁的玛格丽特还参与了一篇论文。2019年8月22日,玛格丽特度过100周岁生日。至今,加州大学圣迭戈分校还为她留了办公室。

因为她的多个重要贡献,玛格丽特获得多项荣誉:海伦·华纳天文奖(1959年,与丈夫一起获得)、美国艺术与科学院学者(1969年)、美国射电天文台央斯基讲席(1977年)、太平洋天文学会布鲁斯奖(1982年)、美国国家科学奖章(1983年)、亨利·诺利斯·罗素讲席(1984年)、爱因斯坦世界科学奖(1988年)、英国皇家天文学会颁发的金质奖章(2005年,与丈夫一起获得)。

也因为其多项巨大成就,她担任过皇家格林尼治天文台台长(1972-1973)、美国天文学会会长(1976-1978),是这两个机构历史上第一位女性台长/会长,还担任过美国科学促进会(AAAS)会长(1983)——大多数人不知道AAAS,但都知道AAAS旗下那个举世闻名的期刊:Science(《科学》)。为了纪念她的贡献,小行星5490号以她的姓名来命名。

从当年在弹片纷飞的环境中用小望远镜观测星星的光谱,到后来在和平环境中用自己参与设计的哈勃太空望远镜的暗天体光谱仪观测星系的光谱,玛格丽特在自己几十年的天文生涯中迎接了一个有一个重大挑战,完成了一项又一项重要工作。

正如鲁宾所说,玛格丽特用自己的光辉、努力、原创性与优雅迎接挑战;正如她的女儿萨拉所说,玛格丽特也许只是希望成为自己所在时代的最好的观测天文学家之一,但实际上却成了自己所在时代的最好的天文学家之一。

作者简介

王善钦,2018年获得南京大学天文学博士学位,2016-2018年访问加州大学伯克利分校,主要研究超新星爆发等现象,业余也研究科学史。

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