原創 劉辛味 返樸
2020年諾貝爾物理學獎得主安德莉婭·蓋茲是諾貝爾物理學獎史上第四位女性得主。她從1995年開始投入到探索黑洞的研究中，如今依然奮戰在一線。除了她對物理的熱愛，對黑洞的好奇，以及持之以恆的觀測，運用最新的技術手段是她成功的關鍵。蓋茲一直以女性榜樣的身份從事著科學事業，希望有更多的女孩加入到這一領域。
撰文 | 劉辛味
2020年諾貝爾物理學獎頒給了美國加州大學洛杉磯分校的天文學家安德莉婭·蓋茲（Andrea M. Ghez）。她是繼居裡夫人（1903年）、梅耶（1963年）和唐娜·斯特裡克蘭（2018年）之後第四位獲得此項殊榮的女科學家。在天文學領域，優秀的女科學家很多，並且相較於其他理工學科，女性在天文學研究上有久遠的歷史。二百多年前，彗星獵手卡羅琳·赫歇爾 (Caroline Herschel，1750-1848) 因其在彗星發現和分類方面工作，成為英國首個獲得官方職位的女性。（）現在，銀河探險家蓋茲，因發現銀河系中心超大質量緻密天體——黑洞（諾獎頒獎詞很謹慎，並未提黑洞），成為諾獎歷史上首位女天文學家。
安德莉婭·蓋茲（Andrea M. Ghez，1965-） 丨圖源：Elena Zhukova/University of California
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鏡。然而，這個興趣並沒有持續多久，老工業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裡。但觀星的種子還是埋在了她心底，只是當時她自己還不知道。
小孩的興趣總是會變的，上過舞蹈課後，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學的誘惑。蓋茲至今記得高中時班裡牆上貼了一篇文章說，科學研究表明男生比女生更擅長數學——如今我們還能聽見這樣的謬誤噪聲。而蓋茲當時就表示不服，數學課上她向男生發起了挑戰。至於誰贏了，蓋茲笑著說，「我做的很不錯。」
除了數學題，蓋茲還喜歡玩拼圖之類的益智遊戲，讀一些偵探小說，然後在晚上思考更深奧的問題——宇宙的盡頭在哪？為了尋找答案，她決定走向科學之路。後來蓋茲回憶說，高中時支持她去研究科學，對她影響最深的是高中化學老師朱迪斯·基恩（Judith Keane），因為這是她學生時代遇到的唯一一位教科學課程的女老師。蓋茲認為，在被男性主導的領域裡，她在那裡，就已經說明了一切。在得知蓋茲獲得諾獎後，Judith Keane接受採訪時說，「她是一位傑出的學生，能教這樣特殊的學生是老師的夢想。」
1990年代蓋茲在芝加哥阿德勒天文館（Atler Planetarium）上發表演講後與老師朱迪斯·基恩合影丨圖源：news.uchicago.edu/
1987年，蓋茲進入麻省理工學院。當她發現物理學才可能幫助自己找到終極答案之時，果斷換了專業。「我愛數學，最初是數學專業然後轉到了物理。」大學期間，蓋茲給一位天文學家「打工」，結果第一次到天文臺幫忙就被這裡技術氛圍所吸引，點燃了她的好奇心。無論是硬體維護還是軟體編寫，她都渴望學習。當她發現從宇宙深空中發來的X射線蘊含著天體秘密時，腦海中浮現了一個想法，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。」
實際上，在蓋茲大學時期，天文學家已經觀測到黑洞存在的證據，但還遠談不上證實。（1990年霍金和基普·索恩打賭天鵝座X-1不是黑洞。）蓋茲有機會成為第一個證實銀河系中心存在超大質量黑洞的女科學家，現在我們知道她做到了。
用前沿技術1987年蓋茲畢業後來到加州理工學院攻讀博士學位，因為這裡對她來說擁有最好的「玩具」，這裡有當時世界上最大的望遠鏡之一，位於帕洛馬山天文臺的5米海爾望遠鏡。不過，還有一個小玩具更讓她著迷——散斑成像（Speckle imaging）。
在2013年Nature的採訪中，蓋茲透露出自己是個技術控。「我喜歡冒險嘗試新技術，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。」 散斑成像在當時並不算是個新技術，但是她要用在新的場景。
望遠鏡解析度的理論極限受限於其口徑，光的衍射會導致成像會形成一個圓斑，即艾裡斑。但大氣湍流的幹擾，單個艾裡斑會被變成一系列「散斑」，其實就是由一系列相干的波前互相干涉產生的圖像，這使望遠鏡解析度達不到其理論極限，尤其對於拍攝遙遠的恆星來說，圖像十分模糊。
實際上，早在牛頓時代的學者就注意到了散斑現象，牛頓當時就提出過為什麼能觀察到恆星的閃爍現象而觀察不到行星的類似現象，現在人們知道這是光的空間相干性不同所致。但直到20世紀60年代雷射器誕生後，雷射散斑得到重視，也出現了新的用途。物理學家發現散斑可以作為信息載體而用於圖像處理，通過傅立葉變換重建原始圖像。在天文觀測中，天文學家利用散斑提高解析度。
雙子座天文臺Alopeke寬場成像儀對木星成像對比，左圖為視寧度效應極限（有大氣幹擾下的成像極限）的效果，右為散斑成像後效果（右） 丨圖源：Physics Today
在蓋茲讀博時期，散斑成像技術在可見光波段的應用已經非常成熟，通過在極短時間內曝光拍下大量相片，選擇效果最好的一些圖像（可認為大氣幹擾很小接近衍射極限的「幸運圖像」）進行位移疊加取平均得出最佳圖像，再從中提取信息。但這種方法在當時也有明顯的缺點，只能對明亮的天體使用，並且在計算機並不發達時代，效率不高。隨著90年代末電子倍增CCD相機引入到天文學領域中，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。
蓋茲加入了一個小組，他們正在開發一種基於紅外線的散斑成像技術，用於探測被星際塵埃覆蓋的活動星系核發出的紅外線，比如漩渦星系和橢圓星系中心，天文學家認為這裡或許存在黑洞。蓋茲負責了編寫圖像分析軟體，使設備擁有儘可能高的解析度。可惜最初的嘗試並不成功，她沒看到活動星系的中心，博士論文只好轉向了另一個目標，同樣是明亮天體——銀河系的新生恆星。
蓋茲研究生涯早期主要集中在恆星形成的問題上。天文學家認為恆星誕生於星際氣分子雲密集的區域，雲核坍縮形成恆星。但是銀河系內有大量的雙星系統，互相環繞的恆星又是如何形成的？是分別形成後某種方式靠近，還是天生如此？蓋茲利用此前在散斑成像積累的經驗，對金牛座T進行了觀測，更好的解析度讓她發現了這一區域內許多嬰兒時期恆星，它們以雙星的形式存在，如此年輕又靠得很近，意味著雙星系統可能就是成對形成的。這對天文學家尋找系外行星有重要影響（我們一直在尋找另一個地球），因為行星被認為難以在雙星系統複雜的引力場中形成。
機遇與風險並存，如果要總結蓋茲的成功之路，那就是對數學物理上持久的熱愛與好奇心（當然也遇到了幾位好老師），促使她去使用最先進的技術，這會是未來做出更大發現——確認銀河系超大質量黑洞的關鍵。
目標：銀河系中心1992年蓋茲獲得了博士學位，隨後去了亞利桑那大學做了兩年博士後，然後入職了加州大學洛杉磯分校。此時，她有機會用上更大的望遠鏡——位於夏威夷莫納克亞山凱克天文臺（W. M. Keck Observatory）10米口徑的望遠鏡。蓋茲認為，「望遠鏡越大意味著看到的細節越多，或許我們可以更清晰地看到銀河系的中心。凱克望遠鏡是我成功研究銀河系中心黑洞的關鍵。」
凱克天文臺由兩座10米望遠鏡組成丨圖源：Laurie Hatch/lauriehatch.com
銀河系中心的故事可謂源遠流長。一百年前，美國天文學家沙普利（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）用他自己製造的「旋轉木馬」發現了來自銀河系中心區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，從而開創了射電天文學，央斯基也因此成為了射電天文學之父。然而，科學家一直不清楚信號的具體位置。1971年英國理論天體物理學家唐納德·林登貝爾（Donald Lynden-Bell）和馬丁·裡斯（Martin Rees）首次提出銀河系中心應該有一個作為能源供給的黑洞，由於被氣體和塵埃遮擋，光信號很難傳到地球，他們建議通過射電幹涉測量搜尋。1974年，美國天文學家布魯斯·巴裡克（Bruce Balick）和羅伯特·布朗（Robert Brown）通過美國國家射電天文臺（綠岸望遠鏡）發現了銀河系中心的一個射線源，距離地球約26000光年，遠超一般恆星發出的無線電波，後來被稱之為人馬座A*（Sgr A*）。那麼它究竟是不是黑洞？
蓋茲團隊拍下的銀河系中心圖像。Sgr A*這一名字由羅伯特·布朗1982年提出，Sgr是人馬座Sagittarius的縮寫，A代表緻密射電源，後來他加上了星號以跟其他射電源區分。因為他想起自己博士論文中原子激發態的表述是用星號，就隨手一加。這一名字後來被普遍接受。丨圖源：UCLA Galactic Center Group
上世紀90年代，有兩個團隊加入到Sgr A*的研究中，其中一個便是蓋茲領銜的團隊。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（參見《》），比如探測黑洞吸積爆發發出的射線，追蹤周圍星體圍繞其運動等。蓋茲團隊所用的正是後者，通過對周圍恆星運動軌道和周期的觀測，以此推算中心天體的質量，尤其是距離中心最近的天體將決定中心物質的質量上限。
凱克天文臺臺長希爾頓·劉易斯（Hilton Lewis）回憶說，當時蓋茲向他提出了一個棘手的要求——修改已經測試好的軟體以適用未經驗證的技術。蓋茲要把望遠鏡的紅外照像機加入散斑成像技術。最初劉易斯乾脆表示「沒門」，但在蓋茲的堅持下，他也不斷讓步最終同意了，他說，「這種決心和冒險意願一直是安德莉婭的特點。」
從1995年起，蓋茲和她的團隊開始追蹤Sgr A*周圍的天體。當她第二次去觀測，就發現照片顯示恆星改變了位置，她和團隊非常興奮。1998年，蓋茲團隊分別比較了凱克望遠鏡對Sgr A*區域散斑成像後的數據，中心區域精度提高了4倍，當時他們計算銀河系中心的黑洞為260萬倍太陽質量。
如果僅是通過直接觀測恆星運動，天文學家只能得到一個二維平面內的運動。為了了解恆星靠近或遠離地球的運動，即觀測徑向速度，天文學家會觀測恆星光譜波長的變化（紅移或藍移）來計算。（。）這樣做需要測量大量的光線，尤其是對較暗的恆星。為此蓋茲等人一起開發了適用凱克望遠鏡的自適應光學（Adaptive optics，AO）系統。
AO系統原理圖。雷射系統發出的光可以作為人工導星，以感應大氣變化。由雷射（1）產生的亮斑圖像可以進入一個可快速形變的副鏡（2），副鏡背面有數百個壓電晶體使其可以根據大氣擾動反向匹配形變，即有效地校正了科學圖像中的大氣湍流(3)。丨圖源：Scientifc Background on the Nobel Prize in Physics 2020
自適應光學是校正動態光學波前誤差的技術，早在上世紀50年代被提出用來補償大氣對天文觀測的擾動。後來這項技術在美國「星球大戰」計劃下大力發展，用在了間諜衛星上——大氣在中間，無論觀天還是望地都是一個障礙。隨著技術解密，天文學家有機會用到了這項「黑科技」。
凱克望遠鏡製造的雷射導星。AO與散斑成像結合將獲得高精度圖像。圖源：Ethan Tweedy Photography/ethantweedie.com
蓋茲比喻說，大氣就像遊樂園裡的哈哈鏡，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，蓋茲他們開發的程序讓圖像比之前清晰了20倍。每年他們都拍下恆星的照片，最終發現了軌道環繞的秘密。
銀河系中心自適應光學系統關閉和打開的對比圖丨圖源：UCLA Galactic Center Group
2002年，蓋茲團隊結合散斑成像和AO計算得到了Sgr A*周圍一顆恆星的完整軌道，這顆恆星被他們命名為S0-2（S0-2也被稱作S2。S0代表Sgr A*半徑一角秒內的天體，2代表距離中心第二近的恆星）。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動一周要2億多年），速度高達每秒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400萬倍太陽質量。在如此之小的範圍內存在如此巨大的質量，「這就是黑洞存在的證據，我們別無選擇。」 蓋茲說。
蓋茲團隊模擬出Sgr A*周圍恆星的運動軌跡，其中S0-2得到了完整軌道。丨圖源：Keck/UCL Galactic Center Group
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）位於智利的新技術望遠鏡（NTT，主鏡口徑3.58米；後來用8.2米甚大望遠鏡VLT）追蹤恆星S0-2，得到軌道周期數據也比蓋茲團隊稍早幾個月，所以他應該是最早證明了銀河系中心存在超大質量黑洞。根澤爾團隊與蓋茲團隊各自獨立得出的結論是高度一致的。實際上，根澤爾團隊所用命名是S2，至今兩個團隊也並未統一名稱。
萊因哈德·根澤爾（Reinhard Genzel，1952）。甘澤爾學生時代曾是德國最好的標槍運動員，後來學習物理後走上科學之路。圖源：NBC
蓋茲把她上學時候和男生競賽的勁頭也放在了黑洞觀測上。2005年蓋茲團隊首先拍攝了第一張雷射引導AO銀河系中心照片。而根澤爾團隊於2008年先獲得了S2軌道的完整觀測數據，完美符合理論預測。2008年邵逸夫天文學獎只獎給了根澤爾一人（或許是因為根澤爾最先給出了觀測證據），而蓋茲拿下了同年的麥克阿瑟「天才獎」。2012年蓋茲團隊發現了比S2更靠近中心的恆星S0-102（也被稱為S55），軌道周期僅為11.5年。這顆星的發現將為天文學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廣義相對論。但現有觀測能力有限，他們把目標還是放在了S0-2上。
凱克天文臺模擬黑洞周圍恆星運動的3D動畫。藍綠色代表年輕恆星，橙色代表老年恆星，品紅色為未知類型恆星。丨視頻來源：U. of Illinois NCSA Advanced Visualization Laboratory .
2018年5月，S0-2經過距離黑洞最近的點，根澤爾團隊對其光譜引力紅移精準測量發現符合廣義相對論預言，這也是首次廣義相對論在超大質量黑洞附近成功驗證。蓋茲團隊不甘示弱，2019年他們發表了更全面的測試結果。除了廣義相對論所描述的時空彎曲，導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光譜紅移有三個關鍵節點，分別是速度最大點，速度最小點和距離黑洞最近點（很顯然根澤爾團隊是搶先了）。真正有意義的引力紅移數據決定於S0-2在幾個關鍵位置上光譜紅移的差值和S0-2的精確運動軌道參數。蓋茲團隊結合過去22年來觀測數據，觀測了三個關鍵位置，再次證明了愛因斯坦的偉大理論。
S0-2在黑洞周圍運動軌跡藝術圖，再靠近黑洞時發生引力紅移。圖源：ESO/M. Kornmesser
當然，兩家團隊對未解現象也會針鋒相對地提出不同觀點。比如根澤爾團隊在2011年發現了Sgr A*附近高速運動的緻密氣體雲（被稱之為G2）正在落入黑洞，由於巨大的引力而「麵條化」（spaghettification），並且預測在2013年抵達黑洞最近距離，被完全吞噬爆發劇烈的X射線。但是後來天文學家並沒有發現任何劇烈的過程。2014年，蓋茲團隊的觀測結果表明G2在接近黑洞時顯示出了潮汐作用，而運動模型與克卜勒軌道模型一致，他們認為G2中心藏有一顆恆星，並且是雙星合併後形成的。但是蓋茲的結論也僅是理論猜想，不溫不火的G2究竟是什麼至今尚無定論。
在科學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鬥還共同獲獎的勁敵恐怕是不多見的。2012年瑞典皇家科學院將素有天文學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獎，新聞發布會後的採訪中，蓋茲表示，「沒有什麼比競賽更能讓人前進了！」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隊發表論文，他們發現Sgr A*周圍幾個與G2相似的奇怪天體。仍在當打之年的他們現在還盯著銀河系的中心，或許未來還有更重大的發現。
25年來，蓋茲追蹤了超過3000顆恆星，把超大質量黑洞存在的最佳證據呈現了世人，如果說這是25年磨一劍，那也不得不提一句「磨刀石」——更強大觀測技術。而且在這方面根澤爾團隊也不遑多讓，即使他們並不是真正製造「磨刀石」的人，但他們各自獨立開發了適用的散斑成像和AO系統。
蓋茲目前是未來30米望遠鏡（TMT）的科學顧問委員會成員，參與瞭望遠鏡主要設備紅外成像光譜儀（IRIS）的早期設計，新一代觀測設備再次突破極限，發現黑洞更深的奧秘。
30米望遠鏡主鏡藝術圖丨圖源：tmt.org
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，還經常擔任紀錄片或電影的科學顧問，著名科幻電影《星際穿越》幕後就有她的工作。「激勵公眾，培養下一代科學家，並通過團隊的發現和合作打破性別偏見」，是她創立的UCLA銀河中心團隊的三大任務之一，與兩大科研任務——探索黑洞和推動下一代望遠鏡及相關技術——並列。
對蓋茲來說，激勵女性投身到科學領域是她的使命。在2006年美國公共廣播公司的採訪中，她被問到如何鼓勵更多的女孩以及年輕女性投入到科學事業中，她回答：「我認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，向她們展示這些領域裡有女性。」「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。」
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，就是為了向學生展示女孩也可以學好物理。而本來學校是不允許博士生給本科生上課的。她的導師、美國著名的紅外天文學家Gerhart Neugebauer支持了她，蓋茲還因此獲得了學校的教學獎。1995年時，她專門為小學生撰寫了一本《你可以成為女天文學家》（You Can Be a Woman Astronomer）。現在蓋茲還在給本科生上課，「這裡是我有潛力產生最大影響的地方——表明女性可以從事自然科學。」為了給自己的學校和院系宣傳，她還拍了宣傳片，展現了一位天文學家的睿智和魅力。
如今蓋茲是第四位獲得諾貝爾物理學獎的女科學家，她自信地說：「我很高興成為年輕女性的榜樣。」「我希望我能激發其他年輕女性加入這一領域，這是一個充滿樂趣的領域。而且如果你對科學充滿熱情，那能做的事太多了。」
參考資料
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原標題：《諾獎史上首位女天文學家，給女孩樹立榜樣，她做到了》
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