看到不可見(jiàn)的東西：諾貝爾獎(jiǎng)得主安德里亞-蓋茲如何發(fā)現(xiàn)銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞

安德里亞蓋茲

圖片來(lái)源：埃琳娜-朱科娃/加利福尼亞大學(xué)

天體物理學(xué)家安德里亞蓋茲(Andrea Ghez)在她的科學(xué)生涯中一直在窺視著銀河系的中心，試圖看到一些看不見(jiàn)的東西。

她因?yàn)檫@項(xiàng)工作獲得了諾貝爾獎(jiǎng)，該工作極大的加強(qiáng)了我們現(xiàn)有的儀器無(wú)法觀測(cè)到的超大質(zhì)量黑洞正潛伏在銀河系中心的證據(jù)。她也成為一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)第四位獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的女性。她將這一統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)視為一種責(zé)任。

與此同時(shí)，當(dāng)她和她的同事們正在解決關(guān)于宇宙更深層次的問(wèn)題時(shí)，這項(xiàng)為獲獎(jiǎng)研究提供信息的同樣的觀測(cè)活動(dòng)在今天仍在繼續(xù)進(jìn)行。正在加州大學(xué)洛杉磯分校從事研究和教學(xué)工作的蓋茲告訴空間網(wǎng)，她的研究部分由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)資助，“我們的目標(biāo)從來(lái)都不是為了獲獎(jiǎng)，而是為了研究科學(xué)”。

當(dāng)她開(kāi)始研究時(shí)，蓋茲將她以前在成像技術(shù)方面的工作與她對(duì)黑洞的長(zhǎng)期興趣結(jié)合起來(lái)，用以解決一個(gè)引人入勝的謎題：是什么在銀河系的中心產(chǎn)生了奇怪的射線光？

“當(dāng)然存在建議說(shuō)那里可能有一個(gè)黑洞，但是圍繞著這樣的可能性存在著巨大的爭(zhēng)議?！?蓋茲說(shuō)道，“它的射線就和人們?cè)谄渌胤娇吹降暮诙聪嚓P(guān)的東西類(lèi)似，但它并不能感官定論，它仍然可能是很多種東西?！?/p>

所以蓋茲開(kāi)始研究銀河系的中心。她的方法是追蹤最接近銀河系中心的恒星，并認(rèn)為它們受到了產(chǎn)生奇怪輻射的東西的影響。蓋茲認(rèn)識(shí)到，她以前所使用的被稱(chēng)為自適應(yīng)光學(xué)的技術(shù)，能夠解釋地球大氣層對(duì)天文數(shù)據(jù)造成的扭曲，也可以使天文學(xué)家對(duì)這些恒星進(jìn)行更加清晰的觀察并足以跟蹤它們的運(yùn)動(dòng)。

但其他人并不怎么相信。她指出，為該項(xiàng)目提供觀測(cè)時(shí)間的第一個(gè)提議被拒絕了。即使她被分配到時(shí)間去使用望遠(yuǎn)鏡，也有許多障礙需要克服。“首先你必須證明，你的成像是有效的，你可以拍照，并且有東西可以被拍—在這個(gè)區(qū)域確實(shí)有星星存在并且可以跟蹤它們的運(yùn)動(dòng)?！?/p>

但最終，這些措施都落實(shí)在了實(shí)處，蓋茲和她的同事們開(kāi)始追蹤銀河系中心附近的大量單體恒星。

其中一顆恒星從一個(gè)未知的光電變成了蓋茲最喜歡的恒星，而現(xiàn)在它被稱(chēng)作S0-2?！拔覀儼l(fā)現(xiàn)了它，它正在快速移動(dòng)，它顯然是很有意義的。它是人們最感興趣的恒星之一，它肯定會(huì)成為節(jié)目的主角。”她說(shuō)道，“事實(shí)證明，該恒星擁有最短的【軌道】周期，但你在開(kāi)始的時(shí)候并不知曉?！?/p>

帶著巨大的耐心去追蹤SO-2和其同伴意味著蓋茲可以開(kāi)始估計(jì)銀河系中心的神秘物體究竟有多少質(zhì)量。隨著觀察結(jié)果的積累，蓋茲和她的同事們開(kāi)始相信，在一個(gè)極小的空間內(nèi)存在大量的物質(zhì)。這些特征與黑洞相匹配，但證據(jù)還不夠有力。

“但這仍有其他的解釋存在，所以這說(shuō)明，你必須繼續(xù)下去”，蓋茲說(shuō)到。幸運(yùn)的是，繼續(xù)這項(xiàng)研究要比開(kāi)啟這項(xiàng)研究容易更容易?！霸谶@一點(diǎn)上，很顯然這一技術(shù)將發(fā)揮作用，一些有趣的事情正在發(fā)生。所以我們可以得到更多的望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)時(shí)間?！?/p>

巨大的影響

隨著時(shí)間的推移和數(shù)據(jù)的積累，蓋茲的研究和萊因哈德-根澤爾進(jìn)行的無(wú)關(guān)聯(lián)研究一起，證實(shí)了在銀河系的中心潛伏著一個(gè)超大質(zhì)量黑洞。蓋茲和根澤爾一起分享了一半的諾貝爾獎(jiǎng)。

但這一發(fā)現(xiàn)不僅僅是在我們的銀河系地圖上標(biāo)注出一個(gè)怪物。因?yàn)榭茖W(xué)家們沒(méi)有任何證據(jù)表明我們的星系是極其特殊，獨(dú)一無(wú)二的。因此，了解我們自己的超大質(zhì)量黑洞和星系的其他部分如何相互作用將會(huì)有更加廣泛的意義。

“這是我們可以研究的距離最近的星系中心了，下一次比較近的星系中心是這個(gè)距離的100倍”，蓋茲說(shuō)到。“因此我們現(xiàn)在擁有這個(gè)奇妙的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所，既可以理解黑洞的物理學(xué)特性，又可以探究在這么一個(gè)定理失效的區(qū)域中，引力是如何發(fā)揮作用的?！?/p>

蓋茲的工作也支持了事件視界望遠(yuǎn)鏡的工作進(jìn)展，而這可能是自她發(fā)現(xiàn)并研究銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞方面以來(lái)最令人矚目的項(xiàng)目。據(jù)美國(guó)航空航天局稱(chēng)，該項(xiàng)目是一個(gè)全球性的望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)，合作創(chuàng)建了銀河系和名為M87的星系中心的超大質(zhì)量黑洞陰影的視覺(jué)表現(xiàn)，而該星系位于5400萬(wàn)光年外的室女座。

該合作項(xiàng)目仍在分析對(duì)銀河系的觀測(cè)結(jié)果，但在2019年4月發(fā)布了常被成為M87中心黑洞陰影的第一張圖像。（與該項(xiàng)目有關(guān)的科學(xué)家說(shuō)，銀河系的黑洞比M87的黑洞更難研究，因?yàn)樗鼤?huì)更加活躍）。

“你所看到的這一個(gè)環(huán)是由光子（或光的粒子）的引力影響而產(chǎn)生的”，蓋茲在談到事件視界望遠(yuǎn)鏡的工作時(shí)說(shuō)道?！斑@與我們觀測(cè)黑洞的方式相同：它也是對(duì)它周?chē)挛锏囊τ绊??！?/p>

對(duì)于蓋茲來(lái)說(shuō)，這使得事件視界望遠(yuǎn)鏡的工作成為一個(gè)令人興奮的科學(xué)里程碑。“當(dāng)你能用多種方法來(lái)研究同一現(xiàn)象時(shí)，它是如此強(qiáng)大和有力?！彼f(shuō)到，“當(dāng)你可以把多種技術(shù)結(jié)合到一起時(shí)，它會(huì)給予你更深的洞察力。”

即使科學(xué)家們正在聯(lián)合解決黑洞的奧秘，蓋茲和她的同事們也在繼續(xù)對(duì)銀河系中心的恒星進(jìn)行檢測(cè)。他們并不打算很快停止，因?yàn)槊恳淮涡碌挠^測(cè)都會(huì)增加整套數(shù)據(jù)的體量和可靠性。

這項(xiàng)研究還指出了科學(xué)界尚未解釋的新難題，比如新的恒星如何在離超大質(zhì)量黑洞如此近的地方形成。蓋茲說(shuō)：“由于能夠以這些新的不同的方式觀測(cè)到銀河系的中心，許多真正有趣的悖論因此而產(chǎn)生?！?/p>

并且還有一個(gè)各地物理學(xué)家最喜歡的消遣活動(dòng)：檢查愛(ài)因斯坦的工作看看它是否仍然有效。

首先，蓋茲的研究證實(shí)，接近超大質(zhì)量黑子但逃離其引力洞的光子以一種特定的方式失去能量，這與愛(ài)因斯坦的預(yù)測(cè)相吻合。現(xiàn)在，該團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)行第二次測(cè)試，這次是分析物體如何在時(shí)空中移動(dòng)?？茖W(xué)家們?cè)趲啄陜?nèi)應(yīng)該有足夠的數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)估他在這方面的預(yù)測(cè)。

蓋茲說(shuō)：“我總是喜歡實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)階段，即你不太確定會(huì)發(fā)生什么，但很明顯，一個(gè)信號(hào)正在清晰地出現(xiàn)?！?/p>

推進(jìn)多樣性

與她的科學(xué)工作相對(duì)應(yīng)的是，蓋茲正面臨著其所工作的領(lǐng)域會(huì)存在對(duì)女性的敵意這一挑戰(zhàn)。與她開(kāi)始攻讀博士學(xué)位時(shí)相比，今天的女性獲得物理學(xué)博士學(xué)位的比例有了明顯的提高，但她說(shuō)在將所有少數(shù)群體納入科學(xué)領(lǐng)域方面仍然有許多的工作需要完成。

對(duì)于蓋茲來(lái)說(shuō)，諾貝爾獎(jiǎng)是推進(jìn)這一工作的有力工具。她說(shuō)道：“我一直對(duì)如何鼓勵(lì)女性進(jìn)入科學(xué)領(lǐng)域這一問(wèn)題很有興趣，而我認(rèn)為最好的方式就是在你所在的科學(xué)領(lǐng)域獲得成功，有目共睹的成功。”

并且她說(shuō)，由于該獎(jiǎng)項(xiàng)意味著主辦方的演講邀請(qǐng)，只要通過(guò)精挑細(xì)選，它就可以成為接觸廣泛受眾的有力工具?！鞍殡S著獎(jiǎng)項(xiàng)隨之而來(lái)的就是機(jī)會(huì)和責(zé)任，”蓋茲說(shuō)到，“它迫使你捫心自問(wèn)，哪些行動(dòng)可以幫助你推進(jìn)你認(rèn)為重要的事情？“

與此同時(shí)，蓋茲說(shuō)她鼓勵(lì)到了那些努力在科學(xué)中追尋自我的人去找到可以支持他們的系統(tǒng)?！坝绕涫钱?dāng)你屬于少數(shù)群體時(shí)，找到那些可以接納你成為非少數(shù)群體的社區(qū)的一部分。我發(fā)現(xiàn)這對(duì)于我自己的職業(yè)參與非常重要?！?/p>

歸根結(jié)底，這就是要經(jīng)受住現(xiàn)實(shí)的障礙。“我最喜歡的說(shuō)法是挑戰(zhàn)既是機(jī)遇，“蓋茲說(shuō)。”你要如何讓自己周?chē)娜藥椭惆烟魬?zhàn)—不是說(shuō)把挑戰(zhàn)變輕松—轉(zhuǎn)化為機(jī)會(huì)？“

BY:Meghan Bartels

FY:Zekki

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