來源：返樸
撰文：劉辛味
2020年諾貝爾物理學(xué)獎頒給了美國加州大學(xué)洛杉磯分校的天文學(xué)家安德莉婭·蓋茲（Andrea M。 Ghez）。她是繼居里夫人（1903年）、梅耶（1963年）和唐娜·斯特里克蘭（2018年）之后第四位獲得此項殊榮的女科學(xué)家。在天文學(xué)領(lǐng)域，優(yōu)秀的女科學(xué)家很多，并且相較于其他理工學(xué)科，女性在天文學(xué)研究上有久遠(yuǎn)的歷史。二百多年前，彗星獵手卡羅琳·赫歇爾 （Caroline Herschel，1750-1848） 因其在彗星發(fā)現(xiàn)和分類方面工作，成為英國首個獲得官方職位的女性?，F(xiàn)在，銀河探險家蓋茲，因發(fā)現(xiàn)銀河系中心超大質(zhì)量致密天體——黑洞（諾獎頒獎詞很謹(jǐn)慎，并未提黑洞），成為諾獎歷史上首位女天文學(xué)家。
我將成為第一個登上月球的女孩
蓋茲的童年在美國登月競賽勝利之時度過，當(dāng)4歲時看到阿波羅11號登月成功，她被深深地震撼了。蓋茲仍深刻地記著自己的豪言壯語：“我對母親宣布，我將成為第一個登上月球的女孩！”開明的父母尊重了她的想法，他們一直鼓勵蓋茲去追求任何感興趣的東西，還給她買了一架望遠(yuǎn)鏡。然而，這個興趣并沒有持續(xù)多久，老工業(yè)城市芝加哥的天空早早地把未來的女航天員扼殺在了搖籃里。但觀星的種子還是埋在了她心底，只是當(dāng)時她自己還不知道。
小孩的興趣總是會變的，上過舞蹈課后，蓋茲決定未來成為一名芭蕾舞演員，可對舞蹈的熱情終究沒抵得過數(shù)學(xué)的誘惑。蓋茲至今記得高中時班里墻上貼了一篇文章說，科學(xué)研究表明男生比女生更擅長數(shù)學(xué)——如今我們還能聽見這樣的謬誤噪聲。而蓋茲當(dāng)時就表示不服，數(shù)學(xué)課上她向男生發(fā)起了挑戰(zhàn)。至于誰贏了，蓋茲笑著說，“我做的很不錯?！?/p>
除了數(shù)學(xué)題，蓋茲還喜歡玩拼圖之類的益智游戲，讀一些偵探小說，然后在晚上思考更深奧的問題——宇宙的盡頭在哪？為了尋找答案，她決定走向科學(xué)之路。后來蓋茲回憶說，高中時支持她去研究科學(xué)，對她影響最深的是高中化學(xué)老師朱迪斯·基恩（Judith Keane），因?yàn)檫@是她學(xué)生時代遇到的唯一一位教科學(xué)課程的女老師。蓋茲認(rèn)為，在被男性主導(dǎo)的領(lǐng)域里，她在那里，就已經(jīng)說明了一切。在得知蓋茲獲得諾獎后，Judith Keane接受采訪時說，“她是一位杰出的學(xué)生，能教這樣特殊的學(xué)生是老師的夢想。”
1987年，蓋茲進(jìn)入麻省理工學(xué)院。當(dāng)她發(fā)現(xiàn)物理學(xué)才可能幫助自己找到終極答案之時，果斷換了專業(yè)?！拔覑蹟?shù)學(xué)，最初是數(shù)學(xué)專業(yè)然后轉(zhuǎn)到了物理?！贝髮W(xué)期間，蓋茲給一位天文學(xué)家“打工”，結(jié)果第一次到天文臺幫忙就被這里技術(shù)氛圍所吸引，點(diǎn)燃了她的好奇心。無論是硬件維護(hù)還是軟件編寫，她都渴望學(xué)習(xí)。當(dāng)她發(fā)現(xiàn)從宇宙深空中發(fā)來的X射線蘊(yùn)含著天體秘密時，腦海中浮現(xiàn)了一個想法，一些射線源可能是黑洞——她似乎找到了自己畢生所向。蓋茲回憶說：“我完全被黑洞迷住了，我愛上了這份職業(yè)。”
實(shí)際上，在蓋茲大學(xué)時期，天文學(xué)家已經(jīng)觀測到黑洞存在的證據(jù)，但還遠(yuǎn)談不上證實(shí)。（1990年霍金和基普·索恩打賭天鵝座X-1不是黑洞。）蓋茲有機(jī)會成為第一個證實(shí)銀河系中心存在超大質(zhì)量黑洞的女科學(xué)家，現(xiàn)在我們知道她做到了。
用前沿技術(shù)
1987年蓋茲畢業(yè)后來到加州理工學(xué)院攻讀博士學(xué)位，因?yàn)檫@里對她來說擁有最好的“玩具”，這里有當(dāng)時世界上最大的望遠(yuǎn)鏡之一，位于帕洛馬山天文臺的5米海爾望遠(yuǎn)鏡。不過，還有一個小玩具更讓她著迷——散斑成像（Speckle imaging）。
在2013年Nature的采訪中，蓋茲透露出自己是個技術(shù)控?！拔蚁矚g冒險嘗試新技術(shù)，也許行不通，但可能會打開一扇理解宇宙的新窗口，回答一些你甚至都不知道去問的問題?！?散斑成像在當(dāng)時并不算是個新技術(shù)，但是她要用在新的場景。
望遠(yuǎn)鏡分辨率的理論極限受限于其口徑，光的衍射會導(dǎo)致成像會形成一個圓斑，即艾里斑。但大氣湍流的干擾，單個艾里斑會被變成一系列“散斑”，其實(shí)就是由一系列相干的波前互相干涉產(chǎn)生的圖像，這使望遠(yuǎn)鏡分辨率達(dá)不到其理論極限，尤其對于拍攝遙遠(yuǎn)的恒星來說，圖像十分模糊。
實(shí)際上，早在牛頓時代的學(xué)者就注意到了散斑現(xiàn)象，牛頓當(dāng)時就提出過為什么能觀察到恒星的閃爍現(xiàn)象而觀察不到行星的類似現(xiàn)象，現(xiàn)在人們知道這是光的空間相干性不同所致。但直到20世紀(jì)60年代激光器誕生后，激光散斑得到重視，也出現(xiàn)了新的用途。物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)散斑可以作為信息載體而用于圖像處理，通過傅里葉變換重建原始圖像。在天文觀測中，天文學(xué)家利用散斑提高分辨率。
在蓋茲讀博時期，散斑成像技術(shù)在可見光波段的應(yīng)用已經(jīng)非常成熟，通過在極短時間內(nèi)曝光拍下大量相片，選擇效果最好的一些圖像（可認(rèn)為大氣干擾很小接近衍射極限的“幸運(yùn)圖像”）進(jìn)行位移疊加取平均得出最佳圖像，再從中提取信息。但這種方法在當(dāng)時也有明顯的缺點(diǎn)，只能對明亮的天體使用，并且在計算機(jī)并不發(fā)達(dá)時代，效率不高。隨著90年代末電子倍增CCD相機(jī)引入到天文學(xué)領(lǐng)域中，大幅提高了觀測較暗天體的能力，散斑成像也再次贏來了生機(jī)。
蓋茲加入了一個小組，他們正在開發(fā)一種基于紅外線的散斑成像技術(shù)，用于探測被星際塵埃覆蓋的活動星系核發(fā)出的紅外線，比如漩渦星系和橢圓星系中心，天文學(xué)家認(rèn)為這里或許存在黑洞。蓋茲負(fù)責(zé)了編寫圖像分析軟件，使設(shè)備擁有盡可能高的分辨率。可惜最初的嘗試并不成功，她沒看到活動星系的中心，博士論文只好轉(zhuǎn)向了另一個目標(biāo)，同樣是明亮天體——銀河系的新生恒星。
蓋茲研究生涯早期主要集中在恒星形成的問題上。天文學(xué)家認(rèn)為恒星誕生于星際氣分子云密集的區(qū)域，云核坍縮形成恒星。但是銀河系內(nèi)有大量的雙星系統(tǒng)，互相環(huán)繞的恒星又是如何形成的？是分別形成后某種方式靠近，還是天生如此？蓋茲利用此前在散斑成像積累的經(jīng)驗(yàn)，對金牛座T進(jìn)行了觀測，更好的分辨率讓她發(fā)現(xiàn)了這一區(qū)域內(nèi)許多嬰兒時期恒星，它們以雙星的形式存在，如此年輕又靠得很近，意味著雙星系統(tǒng)可能就是成對形成的。這對天文學(xué)家尋找系外行星有重要影響（我們一直在尋找另一個地球），因?yàn)樾行潜徽J(rèn)為難以在雙星系統(tǒng)復(fù)雜的引力場中形成。
機(jī)遇與風(fēng)險并存，如果要總結(jié)蓋茲的成功之路，那就是對數(shù)學(xué)物理上持久的熱愛與好奇心（當(dāng)然也遇到了幾位好老師），促使她去使用最先進(jìn)的技術(shù)，這會是未來做出更大發(fā)現(xiàn)——確認(rèn)銀河系超大質(zhì)量黑洞的關(guān)鍵。
目標(biāo)：銀河系中心
1992年蓋茲獲得了博士學(xué)位，隨后去了亞利桑那大學(xué)做了兩年博士后，然后入職了加州大學(xué)洛杉磯分校。此時，她有機(jī)會用上更大的望遠(yuǎn)鏡——位于夏威夷莫納克亞山凱克天文臺（W。 M。 Keck Observatory）10米口徑的望遠(yuǎn)鏡。蓋茲認(rèn)為，“望遠(yuǎn)鏡越大意味著看到的細(xì)節(jié)越多，或許我們可以更清晰地看到銀河系的中心。凱克望遠(yuǎn)鏡是我成功研究銀河系中心黑洞的關(guān)鍵?！?/p>
銀河系中心的故事可謂源遠(yuǎn)流長。一百年前，美國天文學(xué)家沙普利（Harlow Shapley）最先確定了銀河中心方向在人馬座位置。1931年美國工程師卡爾·央斯基（Karl G。 Jansky）用他自己制造的“旋轉(zhuǎn)木馬”發(fā)現(xiàn)了來自銀河系中心區(qū)域人馬座的射電信號，這也是人類第一次來自地球之外的射電信號，從而開創(chuàng)了射電天文學(xué)，央斯基也因此成為了射電天文學(xué)之父。然而，科學(xué)家一直不清楚信號的具體位置。1971年英國理論天體物理學(xué)家唐納德·林登貝爾（Donald Lynden-Bell）和馬丁·里斯（Martin Rees）首次提出銀河系中心應(yīng)該有一個作為能源供給的黑洞，由于被氣體和塵埃遮擋，光信號很難傳到地球，他們建議通過射電干涉測量搜尋。1974年，美國天文學(xué)家布魯斯·巴里克（Bruce Balick）和羅伯特·布朗（Robert Brown）通過美國國家射電天文臺（綠岸望遠(yuǎn)鏡）發(fā)現(xiàn)了銀河系中心的一個射線源，距離地球約26000光年，遠(yuǎn)超一般恒星發(fā)出的無線電波，后來被稱之為人馬座A*（Sgr A*）。那么它究竟是不是黑洞？
上世紀(jì)90年代，有兩個團(tuán)隊加入到Sgr A*的研究中，其中一個便是蓋茲領(lǐng)銜的團(tuán)隊。在沒有引力波探測的時代，要了解黑洞只能通過間接的觀測手段，比如探測黑洞吸積爆發(fā)發(fā)出的射線，追蹤周圍星體圍繞其運(yùn)動等。蓋茲團(tuán)隊所用的正是后者，通過對周圍恒星運(yùn)動軌道和周期的觀測，以此推算中心天體的質(zhì)量，尤其是距離中心最近的天體將決定中心物質(zhì)的質(zhì)量上限。
凱克天文臺臺長希爾頓·劉易斯（Hilton Lewis）回憶說，當(dāng)時蓋茲向他提出了一個棘手的要求——修改已經(jīng)測試好的軟件以適用未經(jīng)驗(yàn)證的技術(shù)。蓋茲要把望遠(yuǎn)鏡的紅外照像機(jī)加入散斑成像技術(shù)。最初劉易斯干脆表示“沒門”，但在蓋茲的堅持下，他也不斷讓步最終同意了，他說，“這種決心和冒險意愿一直是安德莉婭的特點(diǎn)。”
從1995年起，蓋茲和她的團(tuán)隊開始追蹤Sgr A*周圍的天體。當(dāng)她第二次去觀測，就發(fā)現(xiàn)照片顯示恒星改變了位置，她和團(tuán)隊非常興奮。1998年，蓋茲團(tuán)隊分別比較了凱克望遠(yuǎn)鏡對Sgr A*區(qū)域散斑成像后的數(shù)據(jù)，中心區(qū)域精度提高了4倍，當(dāng)時他們計算銀河系中心的黑洞為260萬倍太陽質(zhì)量。
如果僅是通過直接觀測恒星運(yùn)動，天文學(xué)家只能得到一個二維平面內(nèi)的運(yùn)動。為了了解恒星靠近或遠(yuǎn)離地球的運(yùn)動，即觀測徑向速度，天文學(xué)家會觀測恒星光譜波長的變化（紅移或藍(lán)移）來計算。這樣做需要測量大量的光線，尤其是對較暗的恒星。為此蓋茲等人一起開發(fā)了適用凱克望遠(yuǎn)鏡的自適應(yīng)光學(xué)（Adaptive optics，AO）系統(tǒng)。
自適應(yīng)光學(xué)是校正動態(tài)光學(xué)波前誤差的技術(shù)，早在上世紀(jì)50年代被提出用來補(bǔ)償大氣對天文觀測的擾動。后來這項技術(shù)在美國“星球大戰(zhàn)”計劃下大力發(fā)展，用在了間諜衛(wèi)星上——大氣在中間，無論觀天還是望地都是一個障礙。隨著技術(shù)解密，天文學(xué)家有機(jī)會用到了這項“黑科技”。
蓋茲比喻說，大氣就像游樂園里的哈哈鏡，本來星空圖像被扭曲了，我們要做一個反向形狀的鏡子以抵消被扭曲的效果。作為最早的AO用戶之一，蓋茲他們開發(fā)的程序讓圖像比之前清晰了20倍。每年他們都拍下恒星的照片，最終發(fā)現(xiàn)了軌道環(huán)繞的秘密。
2002年，蓋茲團(tuán)隊結(jié)合散斑成像和AO計算得到了Sgr A*周圍一顆恒星的完整軌道，這顆恒星被他們命名為S0-2（S0-2也被稱作S2。S0代表Sgr A*半徑一角秒內(nèi)的天體，2代表距離中心第二近的恒星）。S0-2軌道周期只有不到16年（相比之下太陽圍繞銀河系中心運(yùn)動一周要2億多年），速度高達(dá)每秒5000千米，最接近中心時的距離只有120個天文單位，不到冥王星到太陽距離的兩倍。理論計算表明，Sgr A*約400萬倍太陽質(zhì)量。在如此之小的范圍內(nèi)存在如此巨大的質(zhì)量，“這就是黑洞存在的證據(jù)，我們別無選擇?！?nbsp;蓋茲說。
25年競爭之路
在蓋茲奮勇向前的路上，一直有一位“宿敵”——他就是今年一同獲獎的德國天文學(xué)家萊因哈德·根澤爾（Reinhard Genzel）。根澤爾算是蓋茲的前輩，1992年起就用歐洲南方天文臺（ESO）位于智利的新技術(shù)望遠(yuǎn)鏡（NTT，主鏡口徑3.58米；后來用8.2米甚大望遠(yuǎn)鏡VLT）追蹤恒星S0-2，得到軌道周期數(shù)據(jù)也比蓋茲團(tuán)隊稍早幾個月，所以他應(yīng)該是最早證明了銀河系中心存在超大質(zhì)量黑洞。根澤爾團(tuán)隊與蓋茲團(tuán)隊各自獨(dú)立得出的結(jié)論是高度一致的。實(shí)際上，根澤爾團(tuán)隊所用命名是S2，至今兩個團(tuán)隊也并未統(tǒng)一名稱。
蓋茲把她上學(xué)時候和男生競賽的勁頭也放在了黑洞觀測上。2005年蓋茲團(tuán)隊首先拍攝了第一張激光引導(dǎo)AO銀河系中心照片。而根澤爾團(tuán)隊于2008年先獲得了S2軌道的完整觀測數(shù)據(jù)，完美符合理論預(yù)測。2008年邵逸夫天文學(xué)獎只獎給了根澤爾一人（或許是因?yàn)楦鶟蔂栕钕冉o出了觀測證據(jù)），而蓋茲拿下了同年的麥克阿瑟“天才獎”。2012年蓋茲團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)了比S2更靠近中心的恒星S0-102（也被稱為S55），軌道周期僅為11.5年。這顆星的發(fā)現(xiàn)將為天文學(xué)家希望了解極端條件下的天體物理過程起到重要作用，尤其是通過引力紅移檢驗(yàn)廣義相對論。但現(xiàn)有觀測能力有限，他們把目標(biāo)還是放在了S0-2上。
2018年5月，S0-2經(jīng)過距離黑洞最近的點(diǎn)，根澤爾團(tuán)隊對其光譜引力紅移精準(zhǔn)測量發(fā)現(xiàn)符合廣義相對論預(yù)言，這也是首次廣義相對論在超大質(zhì)量黑洞附近成功驗(yàn)證。蓋茲團(tuán)隊不甘示弱，2019年他們發(fā)表了更全面的測試結(jié)果。除了廣義相對論所描述的時空彎曲，導(dǎo)致紅移的還有許多其他因素，因此需要在多個位置觀測。測量S0-2光譜紅移有三個關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，分別是速度最大點(diǎn)，速度最小點(diǎn)和距離黑洞最近點(diǎn)（很顯然根澤爾團(tuán)隊是搶先了）。真正有意義的引力紅移數(shù)據(jù)決定于S0-2在幾個關(guān)鍵位置上光譜紅移的差值和S0-2的精確運(yùn)動軌道參數(shù)。蓋茲團(tuán)隊結(jié)合過去22年來觀測數(shù)據(jù)，觀測了三個關(guān)鍵位置，再次證明了愛因斯坦的偉大理論。
當(dāng)然，兩家團(tuán)隊對未解現(xiàn)象也會針鋒相對地提出不同觀點(diǎn)。比如根澤爾團(tuán)隊在2011年發(fā)現(xiàn)了Sgr A*附近高速運(yùn)動的致密氣體云（被稱之為G2）正在落入黑洞，由于巨大的引力而“面條化”（spaghettification），并且預(yù)測在2013年抵達(dá)黑洞最近距離，被完全吞噬爆發(fā)劇烈的X射線。但是后來天文學(xué)家并沒有發(fā)現(xiàn)任何劇烈的過程。2014年，蓋茲團(tuán)隊的觀測結(jié)果表明G2在接近黑洞時顯示出了潮汐作用，而運(yùn)動模型與開普勒軌道模型一致，他們認(rèn)為G2中心藏有一顆恒星，并且是雙星合并后形成的。但是蓋茲的結(jié)論也僅是理論猜想，不溫不火的G2究竟是什么至今尚無定論。
在科學(xué)史上互相競爭的情況十分常見，但是像蓋茲和根澤爾這樣明爭暗斗還共同獲獎的勁敵恐怕是不多見的。2012年瑞典皇家科學(xué)院將素有天文學(xué)界諾貝爾獎的克雷福德獎頒給了兩人，蓋茲也是該獎項歷史上首次女性得主。如今又一同獲得諾貝爾獎物理學(xué)獎，新聞發(fā)布會后的采訪中，蓋茲表示，“沒有什么比競賽更能讓人前進(jìn)了！”他們的競爭之路看起來還很漫長，就在今年早些時候蓋茲團(tuán)隊發(fā)表論文，他們發(fā)現(xiàn)Sgr A*周圍幾個與G2相似的奇怪天體。仍在當(dāng)打之年的他們現(xiàn)在還盯著銀河系的中心，或許未來還有更重大的發(fā)現(xiàn)。
25年來，蓋茲追蹤了超過3000顆恒星，把超大質(zhì)量黑洞存在的最佳證據(jù)呈現(xiàn)了世人，如果說這是25年磨一劍，那也不得不提一句“磨刀石”——更強(qiáng)大觀測技術(shù)。而且在這方面根澤爾團(tuán)隊也不遑多讓，即使他們并不是真正制造“磨刀石”的人，但他們各自獨(dú)立開發(fā)了適用的散斑成像和AO系統(tǒng)。
蓋茲目前是未來30米望遠(yuǎn)鏡（TMT）的科學(xué)顧問委員會成員，參與了望遠(yuǎn)鏡主要設(shè)備紅外成像光譜儀（IRIS）的早期設(shè)計，新一代觀測設(shè)備再次突破極限，發(fā)現(xiàn)黑洞更深的奧秘。
做女性的榜樣
除了在科研上不斷突破，蓋茲還投入了不少精力做科普，參與公眾演講傳播天文知識，還經(jīng)常擔(dān)任紀(jì)錄片或電影的科學(xué)顧問，著名科幻電影《星際穿越》幕后就有她的工作?！凹罟?，培養(yǎng)下一代科學(xué)家，并通過團(tuán)隊的發(fā)現(xiàn)和合作打破性別偏見”，是她創(chuàng)立的UCLA銀河中心團(tuán)隊的三大任務(wù)之一，與兩大科研任務(wù)——探索黑洞和推動下一代望遠(yuǎn)鏡及相關(guān)技術(shù)——并列。
對蓋茲來說，激勵女性投身到科學(xué)領(lǐng)域是她的使命。在2006年美國公共廣播公司的采訪中，她被問到如何鼓勵更多的女孩以及年輕女性投入到科學(xué)事業(yè)中，她回答：“我認(rèn)為最重要的事情就是向她們展示沒有不可能……最好的方法是為她們樹立榜樣，向她們展示這些領(lǐng)域里有女性。”“我喜歡（成為榜樣），這很令人興奮，這讓我覺得自己在做一些真正有意義的事情?！?/p>
蓋茲自己以身作則，她早在博士期間要求去教本科生的物理課程，就是為了向?qū)W生展示女孩也可以學(xué)好物理。而本來學(xué)校是不允許博士生給本科生上課的。她的導(dǎo)師、美國著名的紅外天文學(xué)家Gerhart Neugebauer支持了她，蓋茲還因此獲得了學(xué)校的教學(xué)獎。1995年時，她專門為小學(xué)生撰寫了一本《你可以成為女天文學(xué)家》（You Can Be a Woman Astronomer）?，F(xiàn)在蓋茲還在給本科生上課，“這里是我有潛力產(chǎn)生最大影響的地方——表明女性可以從事自然科學(xué)。”為了給自己的學(xué)校和院系宣傳，她還拍了宣傳片，展現(xiàn)了一位天文學(xué)家的睿智和魅力。
如今蓋茲是第四位獲得諾貝爾物理學(xué)獎的女科學(xué)家，她自信地說：“我很高興成為年輕女性的榜樣?！薄拔蚁Ｍ夷芗ぐl(fā)其他年輕女性加入這一領(lǐng)域，這是一個充滿樂趣的領(lǐng)域。而且如果你對科學(xué)充滿熱情，那能做的事太多了?！?/p>
