高中老师建议她“远离科学”,而她却引领了一场天文学革命

|· 本文来自“我是科学家”·|

每当夜晚降临,仰望星空之时,你是否想过这样一个问题——宇宙中有没有我们永远也看不到的物质呢?

人们曾经以为,眼睛和望远镜看到的宇宙就是宇宙的全部,是恒星、行星这些天体的集合。

直到20世纪70年代,这个想法被彻底颠覆。人类从此真正意识到,原来宇宙的大部分“内容”都是不可见的。

而这一场哥白尼式的天文学革命的发起者,正是今天故事的主人公:薇拉·鲁宾(Vera Rubin)。

薇拉·鲁宾(1928-2016)和她收集的地球仪。图片来源:参考资料[1]

我能成为天文学家吗?

1928年7月23日,鲁宾出生于美国宾夕法尼亚州的费城。10岁的时候,全家搬到了华盛顿。在华盛顿的新家,她的床紧靠北边的窗户。就是从这个时候开始,她被夜空深深吸引,整晚躺在床上观察星星的移动。当有流星雨的时候,她还会把流星的轨迹都记录下来[2]

鲁宾的父亲是一名电子工程师。虽然他对于天文学的就业前景不太看好,但仍然支持女儿的兴趣,不仅帮助她制作望远镜,还和她一起去参加业余天文学家的聚会[3]。鲁宾也会在写英文作文的时候,选择一个天文学话题。总之,她会抓住各种机会接触和了解天文学。

高中毕业后,鲁宾进入瓦萨学院(Vassar College)学习。瓦萨学院是当时为数不多的女性可以学习天文学的地方,更重要的是,这里有美国历史上第一位女性职业天文学家,也是瓦萨学院第一位天文学教授——玛莉亚·米歇尔(Maria Mitchell)。鲁宾也正是得知米歇尔后,才确定天文学可以作为女性的职业[4]

鲁宾在瓦萨学院学习时,就已经开始进行天文学观测。图片来源:Vassar College

1948年,鲁宾从瓦萨学院天文学专业毕业,前往康奈尔大学攻读硕士学位。但是,无论是在瓦萨学院还是在康奈尔大学,天文学都不是一个传统优势学科,鲁宾在学习过程中也感到自己并未真正融入天文学界。鲁宾在后来的一次采访中回忆道,自己一生中都在试着回答这样一个问题:我能真正成为一名天文学家吗?

不过,鲁宾在康奈尔大学还是找到了相伴她一生的研究。当时,她与玛莎·卡彭特(Martha Stahr Carpenter)一起工作。卡彭特对星系及其内部运动有很大的研究热情,鲁宾也受到了感染。正是在卡彭特的课上,鲁宾对星系动力学产生了兴趣,并从此作为整个职业生涯的研究方向[5]

1951年,鲁宾在康奈尔大学获得硕士学位时,她的丈夫罗伯特·鲁宾已经在华盛顿的应用物理实验室(Applied Physics Lab)找到了一份工作,因此她也随着一起去了华盛顿。在华盛顿,只有乔治城大学可以授予天文学博士学位,因此她就进入乔治城大学攻读博士学位。1954年,鲁宾在伽莫夫(George Gamow)的指导下获得了博士学位[2]

暗物质就是答案

1965年,鲁宾加入了位于华盛顿的卡内基研究所(Carnegie Institution),在地磁学系获得了一个研究职位,并与肯特·福特(Kent Ford)成为长期的合作伙伴。当时,福特改进出一种非常灵敏的光谱仪,由于使用了当时最先进的光电倍增管,这台光谱仪可以帮助使用者以前所未有的精度研究星系的局部区域。

1965年,鲁宾和福特(带白帽子的人)在洛威尔天文台(Lowell Observatory)检查他们的设备。图片来源:Carnegie Institution

有了这样的设备,鲁宾和福特要找到一个合适的研究方向。1963年,天文学家发现了类星体,这很快成为研究热点,鲁宾和福特也尝试进行相关研究。但是,鲁宾发现,由于没有望远镜,无法获得足够的观测时间,他们很难在竞争中有所突破。

鲁宾在基特峰国家天文台(Kitt Peak National Observatory)使用2.1米望远镜。图片来源:NOAO/AURA/NSF

大约过了一两年,鲁宾意识到,这种竞争不是她想要的研究方式。她希望选择一个感兴趣的领域,但又不是那么热门,不会有很多人关注,这样她就可以在取得成果之前安心于自己的研究而不被打扰。于是,20世纪60年代末和70年代初,她尝试去观测仙女座星系(Andromeda Galaxy,代号M31),重新回到星系动力学研究中。

仙女座星系。图片来源:Wikimedia Commons

鲁宾和福特使用光谱仪去研究位于螺旋星系不同部分的恒星的光谱。星系盘上的恒星大概在绕中心的圆形轨道上运行。在观测开始的时候,他们预计会观察到星系的运动和太阳系类似:由于星系的质量大部分都集中在星系中心,而这些质量产生的引力决定了旋转的速度,因此靠近星系中心的恒星运动得快,远离星系中心的恒星运动得慢。

然而,根据观测绘制的旋转曲线大大出乎他们的意料。他们发现,星系中从里到外的恒星的旋转速度几乎相同。他们又观测了其他的星系,发现它们的旋转曲线没有什么区别。他们为此感到震惊,但并不明白平坦的曲线究竟意味着什么。

螺旋星系的典型旋转曲线。根据预测,恒星的旋转速度随着到星系中心的距离的增加而减小,如曲线A所示;但是实际观测结果为曲线B,随着距离的增加恒星的旋转速度几乎没有变化。图片来源:参考资料[6]/汉化:鞠强

鲁宾花了很长时间去理解这些旋转曲线的含义。直到有一天,她在纸上画了一些草图,然后突然间就明白了:如果星系外围存在大量不可见的物质,即有一个暗物质晕的话,那么星系的质量就会在星系中各处分布,而不是集中在星系的中央,因此引力所决定的旋转速度也会各处大致相同。

暗物质这个概念并非最早由鲁宾提出。1933年,瑞士天文学家弗里茨·兹威基(Fritz Zwicky)在分析后发座星系团的星系的多普勒速度时就发现,星系团内的星系的移动速度太快,可见物质产生的引力不足以把这些星系束缚在一起。既然星系团没有表现出分崩离析的迹象,那么一定存在不可见的物质——暗物质——把星系团束缚在一起。但是,当时根本没人在意兹威基的结论,他的发现被束之高阁。

1975年,鲁宾在美国天文学会的一次会议上宣布螺旋星系中的大部分恒星以大致相同的速度绕星系中心旋转。这个结果暗示,要么牛顿引力定律在宇宙各处中并非普遍适用,要么就是存在她推测的暗物质晕,提供支持外围恒星高速运动所需的引力。既然找不到修正牛顿引力定律的理由,那就只有暗物质这一个选项。

虽然目前天文学家仍然没有直接捕捉到暗物质,因此也不清楚暗物质究竟是什么,是一种粒子还是多种粒子,亦或是其他未知的作用机制,但是除了星系动力学外,包括宇宙微波背景辐射和引力透镜在内的其他天文观测也都支持暗物质的存在。在接下来的数十年里,大量的观测证据都支持鲁宾的结论[7]

根据目前的观测,宇宙中可见的普通物质只占大约5%,另外有26%的暗物质和69%的暗能量。在宇宙演化的过程中,这一比例也在发生变化。

宇宙目前的能量分布,可见物质约占5%(不同研究给出的数据略有不同)。图片来源:参考资料[8]/汉化:鞠强

暗物质的发现彻底改变了人类对宇宙的认识。暗物质被嵌入到宇宙演化的模型中,成为组成星系的重要成分。人们终于意识到,如果没有暗物质的束缚,也许的银河系早就分崩离析,也许人类根本没有机会仰望星空。

与性别歧视抗争

和很多同时代的女性科学家一样,鲁宾从读书的时候开始就不得不去面对不公和轻视,而她却始终没有因此屈服。

在她高中毕业的时候,她告诉物理老师,自己拿到奖学金,可以去瓦萨学院读书。物理老师只是说:“只要你远离科学,你就能做的很好。”幸运的是,鲁宾并没有听从他的建议[2]

鲁宾在研究生涯的初期,曾经有一次前往位于加州的帕洛玛天文台(Palomar Observatory)访问,她是最早被允许进入这座天文台的女性之一。但是她发现,那里并没有女洗手间。于是,鲁宾去自己的房间,用纸剪出一个裙子的图案,然后把它贴到了洗手间的门上。她告诉同行的普林斯顿大学的天文学家妮塔·巴科尔(Neta Bahcall):“这边请,现在你有女洗手间了。”巴科尔回忆说:“鲁宾就是这样的人。”[5]

加州的帕洛玛天文台(Palomar Observatory)。图片来源:Wikimedia Commons

虽然一直致力于为女性、特别是天文学界的女性争取权利,但鲁宾也有感到疲惫的时候。她的女儿也是一位天文学家,有一次去日本开会,回来告诉鲁宾说,会上只有她一位女性。鲁宾因此感到有些沮丧,因为从她到她女儿,过了整整一代的时间,情形似乎并没有什么大的变化[2]

数据比名望更重要

鲁宾一生获得了很多荣誉。1996年,她获得皇家天文学会金质奖章,是历史上第二位获得这一荣誉的女性天文学家,而此时距离上一位女性天文学家获奖已经过去了168年。第5726号小行星以鲁宾的名字命名,火星上也有以她的名字命名的地貌[4]

但在众多荣誉中,却不包括诺贝尔奖。尽管很多人认为她对暗物质的开创性研究足以获奖,并且生前也是获得诺贝尔奖最有力的女性候选者。但就像其他很多杰出的科学家一样,鲁宾的工作不必一定要用一个奖项来衡量。或许正如华盛顿大学的天文学家埃米莉·勒斯克(Emily Levesque)所说,未曾获得诺贝尔奖不会有损鲁宾的成就,却是诺贝尔奖的遗憾,因为它会永远缺少对如此杰出的成就的认可[5]

1990年,鲁宾在接受《发现》(Discover)杂志的采访时就说到:“名望转瞬即逝。对我来说,我的数据比我的名字更重要。如果天文学家在接下来的一些年里继续使用我的数据,那就是对我最大的褒奖。”[9]

薇拉·鲁宾一生都沉浸在自己挚爱的兴趣中。图片来源:academcity.org

鲁宾的4个孩子全部拥有博士学位,除了女儿成为天文学家外,还有2个成为地质学家,1个成为数学家。他们认为,是母亲让科学看起来充满乐趣而令人向往,这也激励了他们投身科学[4]

2016年12月25日,鲁宾逝世于美国新泽西州普林斯顿,享年88岁。她曾经说过:“在我的生命里,没有什么事情能和每晚注视夜空一样有趣。”即使没有获得诺贝尔奖,鲁宾仍然是一个非常幸运的人,因为她的一生都沉浸于自己挚爱的兴趣之中,正如她所希望的一样。

她化作永恒的星光,照亮了充满暗物质的宇宙。(编辑:Yuki)

作者名片

参考文献:

  1. https://www.si.edu/newsdesk/snapshot/vera-rubin-lifelong-astronomer
  2. https://www.aip.org/history-programs/niels-bohr-library/oral-histories/33963
  3. https://www.amnh.org/learn-teach/curriculum-collections/cosmic-horizons/profile-vera-rubin-and-dark-matter
  4. https://en.wikipedia.org/wiki/Vera_Rubin
  5. http://www.astronomy.com/news/2016/10/vera-rubin
  6. https://www.e-education.psu.edu/astro801/book/export/html/1863
  7. https://en.wikipedia.org/wiki/Galaxy_rotation_curve
  8. http://chandra.harvard.edu/resources/illustrations/darkmatter.html
  9. https://www.aps.org/publications/apsnews/201312/physicshistory.cfm

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