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宇宙膨胀背后的故事(廿二):涡旋星云中的秘密 精选

已有 4951 次阅读 2019-11-6 04:31 |个人分类:科学历史|系统分类:科普集锦

1923年,沙普利在收到哈勃那封星云红移的来信,长叹一声“就这么一封信毁了我的宇宙”时,站在他身边的是研究生佩恩(Cecilia Payne)。佩恩是英国人,在剑桥大学毕业后,因为身为女性在英国没有深造的机会,飘洋过海到哈佛投奔沙普利。

沙普利接手皮克林的哈佛天文台时对那里“后宫”中效率极高又廉价的“计算机”兴奋不已。但他同时也于心不忍,希望能帮助默默无闻的女性创造更多的机会。因此,他创立研究生院时,开始招的都是女生,开了一个时代的先河。佩恩便是最早的两位女研究生之一。

佩恩首先意识到后宫前辈弗莱明、坎农等总结的“哦,做个好女孩,亲亲我”光谱分类背后的原理是恒星表面温度的差异,并由此发现恒星的组成与地球大为不同,主要成分是氢和氦。她这个不寻常的结论曾遭到包括罗素在内的天文界泰斗的否定,但最终被接受。佩恩不仅是哈佛天文台的第一个女博士,后来更成为哈佛大学的第一位女正教授、第一位女系主任。作为偶像,她激励了很多年轻女性成为天文学家,包括费曼的妹妹(Joan Feynman)。

20多年后,哈佛天文台依然是非常少有的接受女研究生的学院。所以,在1948年,当一位女生回信说因为刚刚结婚、不得不谢绝他们的录取时,负责招生、后来成为沙普利继任人的门泽尔(Donald Menzel)大为诧异,在她的来信上生气地批复:你们这些该死的女人。每次我好不容易发现一个出色的,却都跑去嫁人了。

那位女生名叫鲁宾(Vera Rubin,“鲁宾”便是她结婚后改用的夫姓)。

还是一个10岁的小女孩时,鲁宾最喜欢坐在房间的窗台上看外面的星空。她自己发现了“斗转星移”现象,好奇地觉得是整个宇宙在旋转。整晚整晚地,她坐在窗口跟踪记录星星的位置,还描绘出偶尔出现的流星的轨迹。后来,她懂得那不是宇宙的转动,而是地球的自转。

中学毕业时,无论是学校的指导老师还是大学来的招生顾问都一致劝说她不要执着于天文、科学,因为女孩子在那行业中不会有前途。一个顾问还好心地建议她选取她也非常喜欢的绘画,将来可以为天文事件、场景绘制艺术想象图,一举两得。鲁宾倔犟地拒绝,自己选中了一所女子大学,因为她记得读过的书中有一个作者是著名女天文学家,曾在那学院教书。只是斯人已逝时过境迁:那年新生中只有她一个人学天文。

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1948年,大学期间的鲁宾。

在申请哈佛研究生之前,大学毕业的鲁宾已经在普林斯顿碰了个硬钉子:那里绝对不接受女研究生。她知道哈佛的名额来之不易,却也还是不假思索地回绝了。因为她的新婚丈夫是康奈尔大学的博士生(两人相识时,鲁宾问的第一个问题是“你真的是费曼的学生?”),按传统她只能放弃自己的机会。

好在康奈尔也接收了她成为硕士研究生。她得以听贝特、费曼等教授的课,跟随一个女天文学家做科研。一天,她丈夫给她看了伽莫夫在《自然》杂志上发表的一篇文章,设问宇宙作为一个整体是否在旋转。像他很多论文一样,这篇文章的命题属于大胆假设,在启发性之外并没有什么论据。

伽莫夫的论文勾起了鲁宾童年的憧憬。我们的地球在自转,因此有了她曾着迷的斗转星移;地球在绕太阳公转,整个太阳系在同样地旋转着;太阳系自身也在随着银河星系在旋转中。随时随地,宇宙内部充满了各种各样的旋转。那么,整个宇宙为什么不能也正像陀螺一样在旋转?

她随即选取了这个课题,并自己琢磨出一个研究途径:她收集了当时已知的100多个星系的距离、速度数据,先把它们随宇宙膨胀而远离的速度部分减除,然后将余下的、也就是膨胀以外星系之间的相对速度根据坐标描画出来,果然发现这些星系呈现出整体性的转动。

那是1950年,鲁宾年仅22岁。系主任建议在美国天文学会的年会上公布这个结果,但看到她怀着第一个孩子正临产,提出她自己去不合适,可以由他代劳,但条件是要以他自己的名义发表。鲁宾不假思索地一口回绝。

会议召开时,鲁宾的孩子已经出生了一个月。她父母专程在冰天雪地开车来接他们去开会。鲁宾处之泰然地一边哺乳、一边准备,顺利地在会上做了为时10分钟的演讲。但让她措手不及的是那一屋子专家强烈的反应。他们一致认为她这做法没有意义。星系距离的测量有相当大的误差,不足以像她这样做细致的推敲:她所谓的结果不过只是数据中的噪音。一片混乱中,好心的主持人不得不宣布暂时休会,让鲁宾逃离了现场。

她的报告引起了在场的《华盛顿邮报》记者的注意,发了一篇题为《年轻妈妈由星星的运动推论创世之中心》(Young Mother Figures Center of Creation by Star Motions)的报道。在猎奇般地强调她“年轻妈妈”身份的同时,记者还写错了她的姓名。

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虽然她的成果遭到专家们的一致反对,鲁宾还是顺利地获取了硕士学位。她丈夫博士毕业后在首都华盛顿找了一个工作。鲁宾这时发现作为女性还真是很难在这一行找到机会,只好在家相夫育子,做起了那个年代典型的家庭妇女。她依然订阅着天文学刊,每期杂志来到时她都会边翻阅边暗自流泪。

直到有一天,她在家里意外地接到一个电话。听筒里传来的竟是伽莫夫的大嗓门。

鲁宾的丈夫上班后发现他与伽莫夫最出名的学生阿尔弗在同一个实验室,于是乘闲聊之机提到了他妻子的硕士论文。伽莫夫正好也应邀去那里演讲,便赶紧找到鲁宾要她的数据。当然,伽莫夫做演讲时,鲁宾无法出席旁听。因为实验室谢绝家属。

在1950年代遐想宇宙在旋转的还不只是伽莫夫。那时已经老年的爱因斯坦还经常去普林斯顿高等研究院“上班”。他说他不为别的,只是喜欢有机会与比他年轻很多的数学家、“不完备定理”(incompleteness theorems)发现者哥德尔(Kurt Godel)一起散步回家。

爱因斯坦70大寿时,哥德尔给他献上了一份别致的礼物:他在广义相对论中找到一个旋转着的宇宙的解。

早年的爱因斯坦笃信广义相对论中的宇宙模型应该是唯一的,曾经对德西特、弗里德曼、勒梅特等人接二连三找出不同的解火冒三丈。这时的爱因斯坦早已超脱泰然,笑纳了哥德尔这个出乎意料的寿礼。

然而,无论是伽莫夫还是哥德尔,他们只是好奇甚至促狭,并不是很认真。但伽莫夫对初出茅庐就被他引入歧途的鲁宾十分欣赏,鼓励她继续攻读博士学位。他所在的乔治华盛顿大学不招收女研究生——整个华府地区那时只有乔治城大学允许女研究生。于是伽莫夫做了安排,让鲁宾在乔治城大学挂名注册、上课。他们俩然后像单线联系的地下工作者一般频繁在某个图书馆中碰头、讨论。

伽莫夫是那种大而化之、不拘细节的天才。鲁宾后来回忆他对她的指导基本上就是刚开始时他问的一个问题:“宇宙中星系的分布会不会有一个长度标度?”(Is there a scaling length in the distribution of galaxies?)

差不多同时,一位天文学家在澳大利亚一直在钻研鲁宾的硕士论文并在不同的星系数据中发现了同样的旋转倾向,证实鲁宾的结果不是随机的噪音。他指出鲁宾只是做出了不正确的结论:她发现的不是宇宙整体的旋转,而是那些星系所组成的大星系团在旋转。

宇宙中星系的分布不是均匀或随机的,而是会组成不同大小的星系团。那正是伽莫夫凭空想象的“标度”。鲁宾再度发挥她数据分析的能力,针对哈佛天文台多年积累的恒星数据进行统计分析,揭示宇宙中星系的分布中有明显的大尺度涨落。她只用了两年时间便获得了博士学位。

这一次,她的结论没有招致反对,得到的反应却更令人失望:天文学界没有人注意到她的工作。倒是《华盛顿邮报》又发了一篇八卦式的报道:《25岁的两个孩子的妈妈获得天文博士学位》(Mother of 2 at 25 to Receive her Doctorate in Astronomy)。

宇宙的大尺度结构还要等几年之后由皮布尔斯再度提起。

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还在她从自己房间窗户看星星的少年时代,鲁宾就曾经邮购了一副透镜、找了一个旧卷筒在工程师父亲帮助下制作了一个简陋的天文望远镜。她想给星星照相,却失望地发现用这望远镜没法跟踪星星位置的移动,不可能长时间曝光。

1965年的鲁宾已经是4个孩子的母亲,博士毕业后留在乔治城大学从事了10年的教学和科研。她却不再满足平淡的校园生活,想成为一个真正用望远镜观测星空的天文学家,圆她小时候的梦。于是她离开大学,在一家研究机构中争取到职位,成为那里的第一位女性科研人员。最令她兴奋的是她新的办公室室友,一个名叫福特(Kent Ford)的仪器工程师。

福特那时正好制成了一个新式的光谱测量仪。那是一个小巧的管子,通过光电效应将收集的稀疏光子放大为电子束,然后再拍摄电子的成像,甚至可以直接将数据引入计算机处理。管子可以连接在天文望远镜上进行光谱测量,所需要的曝光时间减少到原来的十分之一。

鲁宾当即决定与福特合作,利用她的天文知识协助福特扩大他这根管子的用途。他们先对当时最时髦的类星体做了测量,为皮布尔斯的大尺度结构研究提供了可用的数据。但鲁宾更为感兴趣的还是旋转。这时她要探究的,不是宇宙整体的旋转,也不是大尺度上星系群的旋转,而是邻近的、个体星系的旋转。

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自从罗斯伯爵在19世纪描绘出他的利维坦望远镜中星云那骇人的涡旋形状时,天文学家一致确信那样的星云肯定是在旋转中。

在1920年那场“世纪天文大辩论”中,主张星云存在于银河系之内的沙普利曾放出一个杀手锏:他在威尔逊山天文台的同事玛纳恩(Adriaan van Maanen)在不同时间的星云照片比较中发现了转动的迹象。如果我们在地球上能够观察到星云的转动,它们离开我们就不可能太远,否则其转动速度会超过光速。柯蒂斯无法反驳,只能祈求更多的数据。

哈勃通过造父变星的距离测量证实星云远在银河之外后,对冯纳恩的这个反例也一直耿耿于怀。两人为此在威尔逊山上明争暗斗了好多年。尽管哈勃的专横跋扈与冯纳恩的温良恭俭让令同事们的同情多在后者,科学还是向着了哈勃:冯纳恩的结果不可重复,只是他自己的错觉。

星云——星系——的确是在转动中。它们的遥远让我们不可能在有生之年内直接看到它们位置的变化,我们却可以通过光谱观察它们的相对运动速度。(拍摄太阳光谱时,可以发现太阳一侧的光有轻度红移,另一侧轻度蓝移。这说明太阳的一侧在离我们远去另一侧在冲我们而来。这便是太阳的自转。太阳的自转也可以另外通过其表面黑点的移动观测。)

早在沙普利与科蒂斯辩论时,星云光谱测量的先驱斯里弗已经发现从不同角度拍摄的星云谱线存在不同的倾角,可以证明星云在转动。他当时拥有的设备只能勉强捕捉到整个星云的光谱,无法精确到星云的内部。

到鲁宾准备再仔细观察星系旋转的1960年代后期时,天文学家已经大致清楚星系的结构:它们看起来像是一个铁饼式的圆盘。中心处星光最密集,存在大量的恒星。从中心往外,星星们大致分布在一个平面上,密度越来越稀疏。到星系的外缘,星星逐渐消失。有些星系的边缘在各个方向不一致,会带着一些罗斯伯爵已经描绘出的“尾巴”。

当大多数天文学家把视线集中在星系明亮的中心时,鲁宾对星系的外缘、尾巴更感兴趣。那里几乎已经不再是星系的地盘,只有极少数孤独离群的恒星在徜徉。它们如何能跟上星系的步伐?它们周围是否也依然存在星系内部特有的气体、尘埃?她在乔治城大学教书期间曾经带着研究生探讨,但因为那里星星稀疏、光强极弱,很难获得可靠的数据。

鲁宾觉得这正是福特那根高灵敏度、高效率管子的用武之地。

1963年,鲁宾还在乔治城大学教书时,曾有机会参观帕洛玛天文台。她发现帕洛玛、威尔逊山等都没有一个女天文学家。询问时她被告知,山上只有一个厕所,没法合用。鲁宾便找来一张纸板,剪成一个穿裙子的女孩形状贴在厕所门上,宣布:问题解决了。

几年后,鲁宾成为帕洛玛天文台第一位操作望远镜的女性。

不过更多的时候,鲁宾和福特是在亚利桑那州的洛威尔天文台工作。在那里拍了一辈子星云光谱的斯里弗已经退休,天文台也有了威力更大的望远镜。他们将望远镜对准距离我们最近的仙女星系,一个点一个点地拍摄光谱、测算速度。借助于福特的管子,他们拍到了还从没有人拍出过的,星系最外缘、已经看不出星光的黑暗区域的光谱,发现即使在那里,也具备着与星系内部差不多的旋转速度。

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1965年,鲁宾(左)与福特在洛威尔天文台观测。

如果一个铁饼在旋转,它上面每个点都有相同的转动角速度。所以,转动的线速度与所在的半径成正比。铁饼外缘会跑得很快,才能在相同时间跑完远得多的周长。

太阳系也是一个旋转的系统,但其速度分布与固体的铁饼相反。开普勒在研究行星运动规律时对他最后发现的那个第三定律最为得意:行星绕太阳公转的周期的平方与行星和与太阳距离的立方成正比。这个关系很拗口。如果不拘细节的话,它说的是距离太阳越远的行星绕太阳转一圈需要花的时间越长,或者说速度越慢。

牛顿的经典力学指出,这是由引力与距离平方成反比的规律所决定的,适用于任何同样的引力系统。当人们观察到土星周围存在有“环”时,物理学家立刻就推测土星环不可能是一个整体,因为内圈与外圈的不同速度会把环撕碎。年轻时的麦克斯韦还曾经以这个题目写出论文,赢得一个科学竞赛奖。

星系与太阳系又有所不同,质量并不像太阳那样集中在中心的一个点上,而是分布在大量的恒星中。但在星系的最外缘不再有恒星的地方,星系所有质量都在其半径之内,那里的旋转速度——如果依然有东西还在旋转的话——也同样会依照开普勒定律随距离减小。

鲁宾和福特的实际测量结果却与这个预期大相径庭:星系旋转的速度即使在外缘之外依然保持着恒定的数值。用牛顿的理论可以简单地推导,这意味着仙女星系的质量分布即使在星系“之外”也在与距离成正比地增长。而在那个区域,我们基本上看不到任何星星的存在。

当他们回到首都华盛顿时,鲁宾的一个老朋友听到风声赶来见面。他带来了一组他们用射电望远镜测得的结果,不仅在仙女星系的外缘与鲁宾的数据吻合,而且延伸了更远,在距离星系中心两倍远的地方仍然测到了同样的旋转速度。他们面面相觑,无法理解这是怎么一回事。

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仙女星系与她的旋转速度。横坐标是与星系中心的距离(半径),纵坐标是当地的速度。圆形数据点来自鲁宾和福特的光学频谱测量;三角形数据点来自另外的射电信号测量。

或者我们熟悉的牛顿引力理论、动力学存在重大缺陷(在这个问题上广义相对论的修正并不重要),或者在这个星系的“黑暗”部分,存在着我们还没能觉察到的物质,它们的质量在维持着星系外缘的旋转速度。

1968年12月,鲁宾在美国天文学会会议上公布了他们初步的数据。这一次,会场上没有人站出来反驳,却也没有人响应,因为他们展示的速度曲线实在令人难以置信。

70多岁的著名天文学家闵可夫斯基(Rudolph Minkowski,他是爱因斯坦的老师、曾帮助后者创立相对论的数学家 Hermann Minkowski 的侄子)走上来,问鲁宾什么时候发表这个结果。鲁宾兴奋地答道,他们现在实在太忙。他们刚刚才测量了仙女星系的一个区域,还有很多其它的区域需要测量。还有那么多其它的星系……

闵可夫斯基却一点没有被鲁宾的热情感染。他固执地盯着她的眼睛强调:我认为你必须立即发表论文。


(待续)



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