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诺奖人物小传 | X射线天文学开创者里卡尔多•贾科尼 精选

已有 9484 次阅读 2019-1-26 13:21 |个人分类:生活点滴|系统分类:科研笔记

 

诺奖人物小传  |  X射线天文学开创者里卡尔多•贾科尼

文 | 贺飞(北京大学)

 

2002年诺贝尔物理学奖得主、意大利裔美国天文学家里卡尔多•贾科尼于2018年12月9日在加利福尼亚州圣地亚哥去世,享年87岁。贾科尼是宇宙X射线天文学开创者,也是钱德拉天文台设想者之一。作为当代最具魅力和影响力的天体物理学家之一,贾科尼对天文学的贡献跨越了整个电磁频谱,他几乎指导了人类迄今的主要空间和地面设施的开发和运行,这些设施在过去的50年里,大大扩展了人类科学边界。2002年因“对天体物理学的开创性贡献,导致了宇宙X射线源的发现”获得诺贝尔物理学奖。贾科尼获得的其他奖项还有1981年的布鲁斯奖章、1982年的皇家天文学会金质奖章、2003年的美国国家科学奖章等等。第3371号小行星以他的名字命名为贾科尼

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贾科尼(图片来自网络)

 

早年岁月

里卡尔多·贾科尼(Riccardo Giacconi),1931106日出生于意大利热那亚(Genoa)他的母亲是当地一所中学的老师,负责编写数学教科书,从小鼓励他学有所成。贾科尼先后在意大利米兰大学获得学士、硕士学位,1954年在该校获得物理学博士学位,博士论文方向是宇宙射线探测。

1956年,贾科尼作为美国印第安纳大学Bloomington分校的富布赖特学者移居美国,随后到新泽西州的普林斯顿大学,成为那里的研究助理。1959年,贾科尼加入位于马萨诸塞州剑桥的MIT的一家太空创业公司“美国科学与工程学公司” AS&E)。在这家公司,他与MIT物理学家布鲁诺•罗西(Bruno Rossi)和其他AS&E 科学家一道,从事X射线天文学的相关研究,进行了一系列关于从空间探测X射线的实验。

Riccardo Giacco

贾科尼(图片来自网络)

 

发现宇宙X射线

虽然 X射线的探测始于二十世纪四十年代,但是成为一门学科,则是人造地球卫星上天以后的事。由于地球大气层对于X射线是不透明的,x射线天文学特别具有挑战性,只能在高空或者大气层以外观测天体的X射线辐射,因此空间天文卫星是X射线天文学的主要工具。早期的观测工作集中于太阳的研究。科学家第一次进行x射线观测是短暂的,观测器或者在几分钟的火箭飞行中进行,或者可能在平流层的气球中停留几个小时。

当时,贾科尼与在美国工作的意大利天文学家罗西(B. Rossi)一道提出太阳辐射照射在月球表面可以激发X射线荧光。1962年,贾科尼新墨西哥州的美国白沙导弹靶场,策划了一次历史性的火箭飞行,一枚Aerobee火箭携带3个盖革计数器发射升空,利用其自身的旋转在X射线波段进行扫描,结果没有探测到月亮的X射线荧光,却意外地在天蝎座发现了第一个宇宙X射线源——天蝎座X-1SCOX-1)。后来发现它是一颗中子星,正在从一个低质量恒星伴星吸积物质。该小组还探测到了一个普遍存在的天体X射线背景。这是一个漫反射各向同性(diffuse isotropicX射线背景。这一发现被认为是X射线天文学的开端,自此,研究这种扩散发射的性质成为贾科尼毕生的科学目标之一,直接导致了贾科尼向NASA提出X射线天文台战略计划。

 

X射线卫星

其后贾科尼领导了美国的探险者42号卫星,即Uhuru卫星。该卫星是美国航天局小型天文卫星1,于1970年12月12日在肯尼亚独立日从肯尼亚海岸外的意大利圣马可平台发射,并用Swahili语命名为“Uhuru”(“自由”的意思)。Uhuru卫星对整个天空进行了第一次X射线测量,它在轨道上停留了两年多,发现了数百个X射线源和脉动X射线双星中黑洞的第一个证据。1971年,贾科尼和同事利用Uhuru卫星观测资料发现半人马座X-3X射线辐射具有周期性脉冲,是一颗X射线双星。结果在双星中发现了聚积的中子星和黑洞源、超新星残骸的X射线发射以及活跃的星系核和星团中的热晕。

贾科尼和其设计的Uhuru卫星(也称为,小型天文卫星-1)

 

1973年,贾科尼和他的小组搬到了哈佛-史密森天体物理中心。在哈佛-史密森天体物理中心期间,贾科尼在1973年至1981年间担任高能天体物理部主任。他负责爱因斯坦天文台的概念、制造和设计,为爱因斯坦天文台数据简化准备软件和硬件,以及负责建立和实施访问天文学家计划。

在那里,贾科尼领导研制了世界上第一颗能成像的X射线天文卫星——爱因斯坦卫星。这项技术检测到了宇宙中几乎所有类型物体的X射线,X射线天文学推向了新的高度,奠定了这项技术成为天文学一个重要分支。他还是掠射式X射线望远镜的提出者和钱德拉X射线天文台的倡导者之一。贾科尼的工作将天文学的观测由可见光拓展到X射线波段,大大开阔了天文学家的视野。

X射线观测已经成为探索宇宙形成和演化的重要工具。爱因斯坦天文台揭示了X射线天空中的无数来源,包括年轻的恒星、活跃的星系和星系团等。通过建立爱因斯坦天文台,贾科尼的团队开发了一种新的端到端运行模型,精心计划和安排观测工作。数据被预先减少和校准,然后存储在一个科学档案中,向全世界范围公开。

 

钱德拉X射线天文台

了解X射线背景推动贾科尼继续前行。这使他开始研究图像分辨率越来越高的望远镜——尤其是钱德拉X射线天文台,这是美国宇航局1999年7月在哥伦比亚号航天飞机上发射的旗舰任务。由于有了钱德拉,我们知道这个背景主要是由于质量高达太阳10亿倍的巨大黑洞吞没了气体云和恒星。

在离开剑桥前往巴尔的摩之前,贾科尼和他的终身合作者、史密森学会的塔南鲍姆(Harvey Tananbaum)提出了一个更强大的天文台,被称为先进的x射线天体物理学设备,它的目标是拍摄“高分辨率的x射线源图像和光谱”,也就是后来于1999年发射的美国宇航局钱德拉X射线天文台。贾科尼一直认为,X射线望远镜的角度分辨率是实现广泛科学目标的关键,尤其是在大量单个光源中分辨X射线背景,并区分与遥远星系团相关的扩展光环。他设想并提出的钱德拉深场调查(Chandra Deep Field Survey)研究,是一个非常长的X射线曝光在天空中的一个区域,已成为天空中研究最多、数据最丰富的领域之一,已经发表了数百篇同行评审论文。

20世纪80年代和90年代,钱德拉X射线天文台的研制工作一直在进行。1992年,为了削减预算,不得不对其进行重新设计,主镜数目由12个减为4个,终端设备也减掉2台,轨道改为椭圆形,最远距离达到地月距离的三分之一,这样做目的是避开地球辐射带的影响,但一旦发生故障,将无法用航天飞机对其进行维修。
    该望远镜于1976年首次提出。这项工作在20世纪80年代开始,望远镜在1992年进行了重新配置(通过减少镜子和仪器),以节省资金并使其适合于航天飞机发射。发射前不久,该望远镜以诺贝尔奖得主、天体物理学家钱德拉塞卡命名为“钱德拉”。

钱德拉于1999年7月23日从哥伦比亚号航天飞机的有效载荷舱内发射,这是航天飞机有史以来发射的最大的卫星。就在哥伦比亚号到达太空的8个小时后,钱德拉离开了航天飞机的遮蔽处,用火箭飞离。控制人员在接下来的几天里对钱德拉的轨道做了一些调整,当最后确定的时候,钱德拉是在一个环绕地球的椭圆形轨道上,从大约9,940英里(1.6万公里)到82,650英里(13.3万公里)。在天顶,钱德拉距离地球到月球的距离约为三分之一。这使得它可以观察长达52个小时,直到失去目标。

钱德拉太空望远镜:揭示看不见的宇宙(宇宙美图)

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2018-8-20 18:48 上传

哥伦比亚号航天飞机(左)和钱德拉x射线天文台(右)

 

早期的X射线观测提出了一套全新的现象。他们表明,在某些情况下,天体产生的能量比可见光所能观测到的要多。这些发现巩固了目前对双星、星系和中心巨大黑洞以及整个宇宙演化的理解。钱德拉x射线天文台用来观察黑洞、类星体、超新星等宇宙中的高能量来源,展示了人类肉眼看不到的宇宙的一面。 

1999年8月中旬,钱德拉第一次将望远镜对准太空。它的第一张照片是仙后座A,是一颗恒星的残骸,在1572年由第谷·布瑞尔所见证的一颗超新星爆炸。钱德拉早期的另一个目标是蟹状星云,第一次显示了在星云中心围绕脉冲星的圆环。在服役十多年后,钱德拉天文台帮助科学家们了解了宇宙运行,观察到星系碰撞、黑洞与宇宙的飓风、超新星在爆炸后内部翻转等。如今,钱德拉望远镜与哈勃太空望远镜、斯皮策太空望远镜和康普顿伽马射线天文台一起成为NASA大型天文台,成为该机构的公关工具。

钱德拉太空望远镜:揭示看不见的宇宙(宇宙美图)-6.jpg (31.99 KB, 下载次数: 0)

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2018-8-20 18:48 上传

仙后座A(左)和蟹状星云(右)

 

其他工作

1981年,贾科尼成为马里兰州巴尔的摩约翰霍普金斯大学空间望远镜科学研究所(STScl)的首任所长,,该研究所负责运行美国宇航局的哈勃太空望远镜,在这里贾科尼工作到1993年。在这里,他沿用了AS&E时代发展起来的管理风格,带领STScl成为世界上最重要的天文学中心之一。

1982年到1997年期间,贾科尼在约翰·霍普金斯大学担任天文和物理学教授。1999年,贾科尼成为美国国家射电天文台的台长及联合大学公司的主席。1992年,他在德国Garching担任欧洲南方天文台(ESO)总干事时,也采取了同样的管理策略。在ESO,他负责在智利开发非常成功的超大望远镜,并参与了革命性的阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列(ALMA)的早期开发。在建造智利的超大型望远镜(VLT)期间,他大力推进并扩展了这一模型(“科学系统工程”)和管理策略。他认为,这种运作模式是向整个社会(而不仅仅是精英专家观察员)提供探索宇宙所需的灵活、强大的工具和档案数据的最佳和最具成本-效益的方式。

1999年,贾科尼回到美国,成为成为美国国家射电天文台的台长及美国联合大学集团(Associated Universitys,Inc.)总裁,在其五年任期内,他继续监管ALMA和其他主要美国射电望远镜,帮助建造了阿塔卡马大毫米阵列(Atacama Large Millimeter Array ,ALMA)。2004年,贾科尼回到约翰霍普金斯大学,继续致力于他自认为的最佳研究,设计一个光学X射线望远镜,优化项目广泛和深入的调查。但令他失望的是,这个项目从来没有得到任何资助

   

传播理性之光”

科学成为贾科尼一生事业的动力。他的职业、社交和家庭生活经常与全世界的朋友和约会交织在一起。业余时间贾科尼喜欢研究建筑和艺术,喜欢临摹文艺复兴时期的绘画,并用这些绘画来装饰他的家。2014年,在从事天文事业差不多60多年后,贾科尼决定“该休息了。”于是,他搬到加利福尼亚州的La Jolla,与妻子Mirella和心爱的家人一道生活。

在天文学界同事眼里,大家都认为贾科尼有远见卓识、不屈不挠的精神和创造力。他与许多亲密合作者建立了坚定不移的友谊,有的成为他终生合作伙伴。贾科尼聘请许多有独立思想的同事一道工作,工作中,他鼓励同事们挑战他,补充他的知识,讨论经常十分激烈。他可以直截了当地提出有争议的观点,但他欣赏激烈的讨论。以至于,他在哈佛工作时对人们不再和他争论感到失望。贾科尼认为,这种“残酷的智力对抗”是推动科学发展的关键,通过这种讨论,大家相互信任,共享信息。他的这种工作方法,在所有活动中,无论是运行大型天文台还是解决科学问题,发挥了核心作用。

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贾科尼(图片来自网络)

 

贾科尼经常鼓励年轻合作者,在处理科学问题时,不带偏见或预先设定的期望。他建议他们要“倾听自然”,不要信任那些“认为自己比自然更了解自然”的人。他对待科学活动的态度一贯特点是正直和不妥协。在他的自传《深藏的秘密:现代天文学的个人历史》(Secrets of the Hoary Deep: A Personal History of Modern Astronomy)(2008)中,他认为自己一生都是在“传播理性之光”, 开辟新的领域,探索未知的海洋,来抵消世界上令人震惊的非理性潮流,从而反思了科学家在社会中应该扮演的角色。

    

        贾科尼开创了空间观测站的通用开放模式,不仅仅是由专业运行团队参与,还建立了经校准的数据档案。这些数据档案模式目前在NASA广泛实施,并在新一代大型地面天文台中得到广泛应用。越来越多的天文学家接受从无线电到X射线的多波长观测。人们重新利用档案数据,其潜力和价值随着时间推移也越来越大(通常一个典型的钱德拉数据集大约要被重新利用六次)。这种开放模式促进了人们更好地理解宇宙及其演化。

 

有关贾科尼的档案

史密森档案馆是贾科尼个人文件的官方存储库。这些文件记录了贾科尼的科学生涯,并说明了他的科学工作和与他工作的机构有关的行政记录。贾科尼的专业活动有大量的文件,包括出席的会议、提交(并出版)的论文;他作为专业协会的官员或董事会成员的服务;主要与NASA相关的经费、申请书和合同;与同事的通信;与贾科尼相关设施的幻灯片和照片;新闻剪报和新闻稿;书籍和期刊等。

档案馆还保存着贾科尼的口述历史。2004年1月22日,在史密森美国历史国家博物馆,美国国家航空航天博物馆宇航部馆长David H. DeVorkin 在一次由莱梅森中心赞助举办的以贾科尼为荣誉的专题讨论会后,对贾科尼博士进行了一次录像采访。在采访中,他讨论了他在天体物理学方面的教育、研究和职业,包括他在史密森的工作、海星计划和哈勃太空望远镜。

相关档案可以参见:

 

参考文献:

1https://siarchives.si.edu/blog/memoriam-riccardo-giacconi-1931%E2%80%932018

2Science DOI: 10.1126/science.aaw5309

3Nature , doi: 10.1038/d41586-019-00216-8


 



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