图:BorderlineRebel,2019(CC BY-SA 4.0,维基共享资源)
安德烈娅·盖兹
Andrea Ghez1965–今 · 生于美国纽约 · 美国
在夏威夷的山顶盯着银河系正中央的一小片天空二十多年,靠一颗十六年转一圈的恒星称出了四百万个太阳重的黑洞
诺贝尔物理学奖 2020 发现银河系中心的超大质量致密天体(与根策尔共享一半奖金)
「每次去望远镜我都会惊叹:我们捕捉到的这些光,已经在路上走了两万六千年。」
—— 盖兹,2020 年 10 月 6 日获奖当天接受诺贝尔奖官网电话采访(原话英文)
银河系的正中央离我们两万六千光年,中间隔着厚厚的星际尘埃——可见光每十亿个光子只有一个能穿过来。那里藏着什么,天文学家猜了几十年:也许是一个巨大的黑洞,也许只是一团挤得特别紧的恒星。
安德烈娅·盖兹的回答方式很朴素:找几颗离中心最近的恒星,年复一年地记下它们的位置,等它们把轨道画出来。一颗叫 S0-2 的星十六年绕一圈,她和团队看完了整整一圈,又看着它第二次掠过近心点。从轨道里称出的中心质量约四百万个太阳,挤在比太阳系还小的空间里——除了黑洞,没有别的东西能这么重又这么小。
登月、芭蕾与数学系
1965 年,盖兹生于纽约,在芝加哥长大,高中读的是芝加哥大学实验学校。父亲是大学教授,母亲是一家当代艺术画廊的主任;家里还有一位当物理学家的长辈,她记得小时候围坐在厨房餐桌边,听他和父亲聊古希腊人是怎么一步步把世界想明白的。
她把对太空的兴趣追溯到四岁时看到的登月。但她也老实补充:那时她一边说要当宇航员,一边说要当芭蕾舞演员,「并不是小时候就明白科学是我的热爱」。到上大学时方向才清楚起来——她去了麻省理工学院,报的却是数学系,后来转到物理。宇宙的尺度让她睡不着觉:
空间之大、我们之渺小,我们的时空在宇宙的尺度上微不足道。既迷人,又吓人。
——盖兹,2021 年 3 月诺贝尔奖官网采访
「看好数据」
1987 年从麻省理工毕业后,盖兹去加州理工学院读研究生,导师是红外天文学的先驱格里·诺伊格鲍尔。她说从导师那里学到的最重要一课是「看好数据,信息都在那里」——故事可以随着新数据改写,但数据本身要盯紧。
她那时非常怕公开讲话,挑研究生院时甚至看的是要不要当助教。第一次做学术报告,她从头抖到脚。诺伊格鲍尔的回答是:你必须去教课,必须过这一关。结果她发现自己喜欢教书,而且专门要求去教物理入门课——因为那里女生太少,她想让她们看到一位女老师。
她的博士论文已经用上了后来成名的那门手艺:近红外散斑成像。地球大气的湍流不到一秒就把星像搅乱一次;如果拍成千上万张极短的曝光,每张都「冻住」那一瞬的抖动,再对齐叠加,就能逼近望远镜的衍射极限。她用这个办法巡查金牛座与蛇夫座里的年轻恒星(T Tauri 星),1993 年和导师发表的结果是:在十几到两百多个天文单位的间距上,年轻恒星有伴星的比例约 60%,是类太阳恒星(约 16%)的 4 倍——也许几乎所有恒星生来都是成对或成群的。
一个「做不到」的项目
1994 年,盖兹到加州大学洛杉矶分校任教。同一时期,夏威夷莫纳克亚山顶的凯克望远镜刚刚启用,口径 10 米,是当时世界上最大的光学/红外望远镜。她想把散斑成像对准银河系中心,逐年测量那里恒星的移动。
凯克天文台后来的台长希尔顿·刘易斯在她获诺奖后回忆,二十五年前一位「无人知晓、刚拿到学位的天文学家」走进他的办公室,要求他的团队改动经过反复测试的软件,让最抢手的一台仪器去做它从没被设计来做的事——「为了一个基本上是浪费时间、根本做不成的实验」。他的第一反应是「没门」,最后还是被她「愉快但毫不动摇的决心」说服了。
难处是实打实的。银心在 2.2 微米的近红外波段才透得过尘埃;10 米望远镜在这个波段的衍射极限约 0.05 角秒,要把挤在一起的恒星一颗颗分开,每一帧曝光只能有 0.13 秒,再把成千上万帧对齐叠加。
1998 年:九十颗星
1995 到 1997 年,盖兹组在银心周围 6 角秒见方的区域里追踪了 90 颗恒星,最快的横向速度达到每秒 1400 公里。离中心越近,恒星跑得越快,速度弥散的衰减正好符合绕一个点质量的开普勒运动:
1998 年发表在《天体物理学报》的论文给出中心暗质量约 个太阳质量,挤在不超过 立方秒差距的体积里,密度至少 个太阳质量每立方秒差距。论文的结论写得很谨慎:数学上仍允许这些质量是一团星团,但没有哪种现实的星团能这么密而不迅速瓦解——所以,不管那个射电源人马座 A* 是什么,银河系中心都有一个超大质量黑洞。
这条路并不是她一个人在走。德国马克斯·普朗克地外物理研究所的赖因哈德·根策尔团队用智利的欧洲南方天文台望远镜做同样的测量,1996、1997 年已发表了第一批恒星自行,结论一致。两组各做各的,互相竞争,也互相校验。
从速度到轨道
只测速度,只能说明中心很重;要把质量「钉死」在一个点上,得看到恒星转弯。2000 年,盖兹组在《自然》上报告了三颗离中心约 0.005 秒差距的恒星的加速度——大小与地球绕太阳的加速度相当——把暗质量的位置锁定在人马座 A* 附近,并指出其中一颗的周期可能短到 15 年,有望在有生之年看完一整圈。
那颗星就是 S0-2(根策尔组叫它 S2)。周期不到 16 年,轨道偏心率 0.88,最近时离中心只有约 17 光时,约为太阳到海王星距离的四倍。只要知道周期 和半长轴 ,开普勒第三定律就把中心质量交出来:
这一步的关键是自适应光学:用一颗亮星、后来是用激光在高层大气里点亮的「人造星」做参照,实时测量大气造成的畸变,让一面可变形的镜子实时改形去抵消它。有了它,曝光可以拉长,还能挂上光谱仪测恒星的视向速度——横向的位置加上纵向的速度,才是完整的三维轨道。
2003 年,盖兹组第一次拍到了 S0-2 的谱线,由此得到的黑洞质量约 个太阳质量。谱线同时带来一个意外:S0-2 是一颗约 15 倍太阳质量、年龄不到一千万年的年轻热星。黑洞的潮汐力强到附近的气体云根本无法聚成恒星,它又是怎么在这里生出来的?这被称为「年轻悖论」,至今没有公认的答案。2005 年,他们发表了凯克望远镜对银心的第一批激光导星自适应光学观测。
2008 年,用 1995 到 2007 年的位置和 2000 到 2007 年的速度,盖兹组同时拟合出黑洞质量 个太阳质量与银心距离 千秒差距——约两万六千光年。
2018 年:拿黑洞检验爱因斯坦
S0-2 在 2002 年过了一次近心点,下一次是 2018 年。那时它以约每秒七千多公里的速度掠过黑洞,正好是检验广义相对论的机会:它发出的光,除了普通的多普勒频移,还应该多出两份红移——高速带来的时间膨胀,和深引力井里的引力红移。
广义相对论预言 ,牛顿引力预言 。按上面的数估算,这两项加起来折合每秒约两百公里,恰好在凯克光谱仪看得见的范围内。盖兹组把 1995 到 2017 年的数据与 2018 年 3 至 9 月的三次关键观测合在一起,2019 年在《科学》上发表:,与广义相对论相符,以 5σ 的显著性排除了牛顿引力。根策尔领导的 GRAVITY 合作组用欧洲甚大望远镜的干涉仪独立测到了同一效应,2018 年先行发表。
诺贝尔奖
2020 年 10 月 6 日凌晨两点,电话从斯德哥尔摩打来。「头几分钟我以为自己在做梦。」诺贝尔物理学奖一半授予罗杰·彭罗斯,表彰他证明黑洞形成是广义相对论的坚实预言;另一半由根策尔与盖兹共享,理由是「发现银河系中心的超大质量致密天体」。在此之前,她和根策尔已在 2012 年共获克拉福德天文学奖。
她是继玛丽·居里、玛丽亚·格佩特-梅耶、唐娜·斯特里克兰之后,第四位获得诺贝尔物理学奖的女性。被问到这意味着什么,她说:
对我来说,鼓励年轻女性投身科学一直很重要。所以这个奖既是一个机会,也是一份责任。看到和你长得像的人、或者和大家不一样的人成功,你就知道那里有机会,你也能做到。
——盖兹,2020 年 10 月 6 日诺贝尔奖官网电话采访
被问到与根策尔团队的关系,她的回答是:「是独立的。在这样难的项目里,保持独立有巨大的好处。没有什么比竞争更能推着你往前走——也更能让你做对。」
仍在盯着那片天空
获奖后,盖兹仍领导着 UCLA 的银河系中心研究组,也参与凯克天文台和筹建中的三十米望远镜的规划。离黑洞最近的恒星还在不停地转,每一次近心点都是一次新的检验:轨道是否会像水星近日点那样进动,中心附近是否还藏着看不见的质量,年轻的恒星究竟从哪里来。
她在第一通采访电话里说,让她着迷的,是理论、实验之外的第三样东西——技术。技术让人以不同的方式看见宇宙。两万六千年前从银心出发的光,今天落进山顶的镜子里。「想到我们作为人类能做到这件事,真的很了不起。」
代表方程
衍射极限
望远镜能分开的最小角度,由波长 与口径 决定。凯克望远镜口径 10 米,在 2.2 微米的近红外波段, 约 0.05 角秒——放到银河系中心,相当于 2.5 光日。可大气湍流把星像抹成一团,平时远远达不到这个极限;散斑成像与自适应光学,都是为了把这层大气「减掉」。
开普勒第三定律称质量
只要知道一颗星绕中心转一圈要多久(周期 ),和轨道有多大(半长轴 ),就能算出中心的质量 ,不必看见中心本身。S0-2 的周期约 16 年,半长轴约一千个天文单位,算出来约四百万个太阳质量。难处在于 是用角度量的,要换成长度得先知道银河系中心有多远——所以盖兹组在 2008 年把距离和质量一起拟合了出来。
相对论红移参数 Υ
恒星掠过黑洞时,光谱除了普通的多普勒频移,还会多出两项:高速运动造成的时间变慢(),和深引力井里的引力红移()。给这两项乘上一个待测系数 :广义相对论说它是 1,牛顿力学说它是 0。2018 年 S0-2 过近心点,盖兹组测出 ,以 5σ 排除了牛顿。
伟大发现
出处
正文所据的原始文献与可靠二手材料。带链接的可直接查看原文。
- 1.诺贝尔奖官网,Andrea Ghez – Facts(出生日期、获奖时单位、获奖理由)
- 2.诺贝尔奖官网,Andrea Ghez – Interview:2020 年 10 月 6 日电话采访(采访者 Adam Smith)
- 3.诺贝尔奖官网,Interview with Andrea Ghez, March 2021(童年、求学、导师与教学)
- 4.瑞典皇家科学院诺贝尔物理学委员会《Theoretical foundation for black holes and the supermassive compact object at the Galactic centre》,2020 年诺贝尔物理学奖科学背景(2020)
- 5.Andrea M. Ghez, Curriculum Vitae(2020 年 3 月 30 日版)——学历、任职与获奖年份
- 6.UCLA 盖兹个人主页,含凯克天文台台长 Hilton Lewis 2020 年 10 月 8 日的回忆
- 7.Ghez, Neugebauer & Matthews《The multiplicity of T Tauri stars in the star forming regions Taurus-Auriga and Ophiuchus-Scorpius: a 2.2 micron speckle imaging survey》,Astronomical Journal 106, 2005(1993)
- 8.Ghez, Klein, Morris & Becklin《High proper-motion stars in the vicinity of Sagittarius A*: evidence for a supermassive black hole at the center of our galaxy》,Astrophysical Journal 509, 678(1998)
- 9.Ghez 等《The accelerations of stars orbiting the Milky Way's central black hole》,Nature 407, 349(2000)
- 10.Ghez 等《The first measurement of spectral lines in a short-period star bound to the Galaxy's central black hole: a paradox of youth》,Astrophysical Journal 586, L127(2003)
- 11.Ghez 等《Stellar orbits around the Galactic Center black hole》,Astrophysical Journal 620, 744(2005)
- 12.Ghez 等《The first laser guide star adaptive optics observations of the Galactic Center》,Astrophysical Journal 635, 1087(2005)
- 13.Ghez 等《Measuring distance and properties of the Milky Way's central supermassive black hole with stellar orbits》,Astrophysical Journal 689, 1044(2008)
- 14.GRAVITY Collaboration(Abuter 等)《Detection of the gravitational redshift in the orbit of the star S2 near the Galactic centre massive black hole》,Astronomy & Astrophysics 615, L15(2018)
- 15.Do, Hees, Ghez 等《Relativistic redshift of the star S0-2 orbiting the Galactic Center supermassive black hole》,Science 365, 664(2019)