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星际巨星
2019-03-11 08:14

星际巨星

本文来自微信公众号:新原理研究所(ID: newprincipia)。头图来自:东方IC。



1928年7月23日,薇拉·鲁宾(Vera Rubin)出生于美国宾夕法尼亚州的费城。童年的时候,她便与家人搬到华盛顿,并且拥有一间床靠在窗户的卧室。每到夜晚,她喜欢透过窗户观察星空。那些遥不可及的恒星,深深地使她着迷,这激发了她的天文学的兴趣。


她开始观测流星雨、建造望远镜、为论文选择天文学话题、参与天文学聚会,从不放过任何窥探宇宙奥秘的机会。在一次采访中她说到:“一个人身处在地球上,怎么可能会不想研究这些东西呢?” 


薇拉的志向得到了父母的支持,但学校里的老师却不以为然。当她告诉物理老师自己获得了瓦萨学院的奖学金时,老师说:“只要你远离科学,你就可以做得很好。”


幸运的是,她并没有听从老师的建议。


年轻时的热情与曲折


在瓦萨学院获得天文学学士学位后,鲁宾进入康奈尔大学天文学研究生院学习。在这里,她与天文学家卡彭特(Martha Stahr Carpenter)一起工作,并开始寻找硕士论文的灵感。卡彭特对星系及其内部的运动痴迷不已,她开设的星系动力学课程让鲁宾真正走上了研究星系的道路,并持续了整个职业生涯。


在瓦萨学院时,鲁宾作为一名本科生就已经开始观测恒星。1948年,她在哪里获得学士学位。


一天,她的新婚丈夫给她带来了一篇伽莫夫(George Gamow,伽莫夫在天文学做出了巨大的贡献,包括大爆炸理论)的文章。伽莫夫在文章中提出了这样一个问题:“如果我们将太阳系的旋转方式应用于宇宙中星系的运动,会怎么样?”


这个问题吸引了鲁宾,她很快就开始着手测量星系的运动。就像行星围绕着共同的恒星那样,宇宙中的一些星系是否也会聚集起来绕着一个点旋转?或者,星系的分布是随机的?


在收集数据时,她发现了一个比其他区域星系更密集的平面。她当时并不知道这是什么,多年来都没有人发现它。事实上,她发现的是“超星系道面”,也就是我们所在的超级星系团的赤道。        


当她把论文呈现给一位导师肖(William Shaw)看时,肖只告诉了她两件事:第一,数据这个词是复数的;第二,她的工作很马虎。但是,他接着建议她应该考虑在美国天文学会的会议上发表这篇论文的演讲。或者,她应该考虑让别人代她展示论文,因为她那时正怀着自己的第一个孩子,而预产期就在会议前一个月,再加上她不是这个协会的成员。他很有礼貌地主动提出愿意为她的结果发表演讲,然而是以他的名义,而不是鲁宾的名义。鲁宾对他说:“我可以自己去。”


年轻的鲁宾为自己的演讲起了一个野心勃勃的标题——《宇宙的旋转》。在大会上,她谁都不认识,感觉自己和他们不是同一类人:他们是专业的天文学家,而自己不是。鲁宾后来回忆道:“在那些年里,我生活中最大的一个问题就是试图找到这个问题的答案:‘我真的能成为一名天文学家吗?’”在那次会议中,鲁宾的演讲并没有引起那些“真正的天文学家”的注意。


在第一个孩子出生后的六个月里,鲁宾一直待在家里。虽然她喜欢孩子,但待在家里让她感到空虚。每当订阅的《天体物理学杂志》送到家里时,她都很激动。鲁宾生活的背景并没有让她觉得,丈夫应该每天外出工作、做他喜欢的事情,而自己就应该待在家里照顾孩子。这样的生活非常艰难。她的丈夫坚定鼓励她重返学校。


鲁宾被乔治城大学的博士项目录取。在这期间,她发现星系确实会像铁屑一样聚集在一起,而不是随机分布。这项工作如今已经成为主流天文学的一部分,但却被忽视了数十年的时间。


成为真正的天文学家


1965年,在乔治城大学做了一段时间教授之后,鲁宾开始在卡内基研究所的地磁学系工作,在这里,她遇到了天文学家福特(Kent Ford)和他壮观的光谱仪——那是当时灵敏度最高的光谱仪。


光谱仪接收光线,并将其分解为组成它的各个波长的光线。例如,光谱仪不仅仅显示荧光灯泡发出白色的光,它还会显示这些光线中有多少是蓝色的、多少是黄色的,它们的波长又分别是多少。福特的光谱仪采用了当时最先进的光电倍增管,这使得研究人员可以研究星系里的小区域,而不单是整个星系。


福特和鲁宾本想观测在1963年刚发现的类星体,这种神秘的天体吸引着所有天文学家,每个人都想解开类星体的谜题。(现在我们知道,所有的类型中央都包含着一个超大质量黑洞。)但是福特和鲁宾并没有自己的望远镜,因此他们必须申请才能争取使用到世界顶级的观测仪器。鲁宾并不喜欢这种竞争。


鲁宾和福特(白色帽子)


神秘的曲线


经过一两年后,鲁宾清楚地意识到,这不是她想要的工作方式。于是,她决定选择去研究一个可以直接观测并不断推进的问题,它最好是一个人们会感兴趣、但又不是那么感兴趣的问题,这样就没有人在她完成之前过来打扰她了。


鲁宾和福特选择专注研究临近的仙女座星系(M31)。这样,她再次回到了自己感兴趣的星系动力学上。人们曾经推断过星系自转应该是什么样子,但从来没有人做过详细的研究来证明这一点,有了福特的光谱仪,他们可以将这些推断转变成观测结果。    


在太阳系中,由于引力的作用与距离的平方成反比,因此我们会看到靠近太阳的行星的运动速度要比在太阳系边缘的天体快的多。如果把速度与距离的关系画出来,就会看到速度随着距离的增加而递减(如下图)



当福特和鲁宾将望远镜对准仙女座时,他们预期看到的星系自转曲线与太阳系中的一样——靠近中心的物体比靠近边缘的物体移动得更快。(星系中的大多数恒星、尘埃和气体都聚集在中心,越靠近中心感受到的引力越强)


他们专注于观测距离星系中心不同距离的氢离子(HII)区,这是近期有恒星形成的区域。但他们观测到的是,无论这些区域距离中心有多远,氢离子区似乎总是以相同的速度移动,而不是预期中逐渐减速。    


在观测的头几个夜晚,鲁宾充满了困惑,她困惑于为什么所有的光谱都是平坦的,也就是说,为什么不同距离的氢离子区都具有相同的速度。他们并不知道这意味着什么。这个项目持续了几年,他们飞去不同的地方用不同的仪器观测。鲁宾在一个楼梯下的小房间里一连数小时地分析数据,结果都展示了同样的东西。


鲁宾和福特转而观测仙女座之外的星系,并分析这些星系的自转曲线,结果都得到了相同的图像。虽然观测结果与理论预测相矛盾,他们也不明白这意味着什么,但当他们将光谱图展示给其他人时,没有人怀疑他们的数据。数据快速堆积起来,自转曲线的数量很快增加到20、40、60条,全部都是平坦的。



答案是?


几个月的时间里,鲁宾一直苦苦思索。有一天,她决定一定要弄明白观测到的这种复杂性到底是什么,她在一张纸上画着草图,突然间,她明白了一切:如果每个星系中都存在着大量看不见的物质——暗物质,那么质量就会分散在整个星系,而不是只集中在星系中心。这样一来,就可以解释星系自转曲线的平坦问题了


事实上,早在1933年,瑞士天文学家兹维基(Fritz Zwicky)在观测星系团的时候,就已经提出了暗物质的想法,只是很少人认真看待他的工作。而在鲁宾和福特之前,也没有人搜集到关于可能存在暗物质的任何观测证据,所以鲁宾和福特最初并没有意识到平坦的自转曲线究竟意味着什么。


在观测仙女座星系之后几年时间,物理学家欧斯垂克(Jeremiah Ostriker)和皮布尔斯(James Peebles)为暗物质的存在提供了理论框架,进而支持了鲁宾和福特的观测结果。


近年来,普朗克卫星通过观察宇宙微波背景辐射(也就是宇宙大爆炸留下的余晖)测量了宇宙中暗物质的含量。这张宇宙早期照片中显示的物质团块演化成了我们今天所见的超星系团,而且是暗物质首先聚集,然后再将普通物质聚集起来。



来自星系团的数据如今也支持了暗物质可能存在的想法,并帮助科学家测量一个特定的星系群中含有多少暗物质。当来自遥远天体的光线经过星系团附近时,星系团巨大质量产生的引力会像透镜一样使光线弯折。根据弯曲的程度,就可以推测出星系团中包含了多少暗物质。


尽管有许多天文观测都支持暗物质,但至今没有任何探测器直接捕捉到暗物质,因此没有人知道暗物质究竟是一种粒子,还是多种粒子,或是其他的可能性。因此,有许多理论学家在思考另一种可能,他们认为或许是广义相对论需要在大尺度范围进行修正


然而,当我们研究宇宙的演化时,我们总是会考虑暗物质。暗物质对于我们理解宇宙是如此基本,以至于我们很难想象没有暗物质的宇宙会是什么样子的。无论以何种方式来衡量,鲁宾所作出的都是一项巨大的发现。


当鲁宾在早年参观帕洛马山天文台时,那里还没有女士洗手间,于是她用纸片剪了个裙子图样贴到门上,自己做了个女士洗手间。这种乐观与坚韧贯穿着她的整个科学生涯。当许多人认为她应该获得诺贝尔奖的时候,她却从不在意,而把自己投入到学术工作中。当年轻的科学家没能找到工作或没能发表论文,她会想办法让他们振作。她不断地讲述自己的经历,讲述人生的起起落落,告诉大家我们应该坚持做自己喜欢做的事。


鲁宾喜欢去理解宇宙,她改变了每个人对宇宙的理解,或许这比任何奖项都来得重要。鲁宾的四个孩子,两个成为了地质学家,一个成为了天文学家,还有一个是数学家。他们说,是母亲让他们觉得科学家的人生似乎很有趣、很吸引人,这激励着他们自己也成为了科学家。


扩展阅读:

1. urriculum-collections/cosmic-horizons/profile-vera-rubin-and-dark-matter

2. astronomy: vera-rubin

3. scientificamerican: vera-rubin-didnt-discover-dark-matter


本文来自微信公众号:新原理研究所(ID: newprincipia)。头图来自:东方IC。

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