江苏龙网

  1. 首页 > 资讯 > 资讯 > >

天文|诺奖史上首位女天文学家，给女孩树立榜样，她做到了( 三 )


上世纪90年代 ， 有两个团队加入到Sgr A*的研究中 ， 其中一个便是盖兹领衔的团队 。 在没有引力波探测的时代 ， 要了解黑洞只能通过间接的观测手段（参见《人类认识黑洞的小小一步》） ， 比如探测黑洞吸积爆发发出的射线 ， 追踪周围星体围绕其运动等 。 盖兹团队所用的正是后者 ， 通过对周围恒星运动轨道和周期的观测 ， 以此推算中心天体的质量 ， 尤其是距离中心最近的天体将决定中心物质的质量上限 。
凯克天文台台长希尔顿·刘易斯（Hilton Lewis）回忆说 ， 当时盖兹向他提出了一个棘手的要求——修改已经测试好的软件以适用未经验证的技术 。 盖兹要把望远镜的红外照像机加入散斑成像技术 。 最初刘易斯干脆表示“没门” ， 但在盖兹的坚持下 ， 他也不断让步最终同意了 ， 他说 ， “这种决心和冒险意愿一直是安德莉娅的特点 。 ”
从1995年起 ， 盖兹和她的团队开始追踪Sgr A*周围的天体 。 当她第二次去观测 ， 就发现照片显示恒星改变了位置 ， 她和团队非常兴奋 。 1998年 ， 盖兹团队分别比较了凯克望远镜对Sgr A*区域散斑成像后的数据 ， 中心区域精度提高了4倍 ， 当时他们计算银河系中心的黑洞为260万倍太阳质量 。
如果仅是通过直接观测恒星运动 ， 天文学家只能得到一个二维平面内的运动 。 为了了解恒星靠近或远离地球的运动 ， 即观测径向速度 ， 天文学家会观测恒星光谱波长的变化（红移或蓝移）来计算 。 （2019年诺贝尔物理学奖的一半奖给了通过径向速度法发现系外行星 。 ）这样做需要测量大量的光线 ， 尤其是对较暗的恒星 。 为此盖兹等人一起开发了适用凯克望远镜的自适应光学（Adaptive optics ， AO）系统 。
天文|诺奖史上首位女天文学家，给女孩树立榜样，她做到了
AO系统原理图 。 激光系统发出的光可以作为人工导星 ， 以感应大气变化 。 由激光（1）产生的亮斑图像可以进入一个可快速形变的副镜（2） ， 副镜背面有数百个压电晶体使其可以根据大气扰动反向匹配形变 ， 即有效地校正了科学图像中的大气湍流(3) 。 丨图源：Scientifc Background on the Nobel Prize in Physics 2020
自适应光学是校正动态光学波前误差的技术 ， 早在上世纪50年代被提出用来补偿大气对天文观测的扰动 。 后来这项技术在美国“星球大战”计划下大力发展 ， 用在了间谍卫星上——大气在中间 ， 无论观天还是望地都是一个障碍 。 随着技术解密 ， 天文学家有机会用到了这项“黑科技” 。
天文|诺奖史上首位女天文学家，给女孩树立榜样，她做到了
凯克望远镜制造的激光导星 。 AO与散斑成像结合将获得高精度图像 。 图源：Ethan Tweedy Photography/ethantweedie.com
盖兹比喻说 ， 大气就像游乐园里的哈哈镜 ， 本来星空图像被扭曲了 ， 我们要做一个反向形状的镜子以抵消被扭曲的效果 。 作为最早的AO用户之一 ， 盖兹他们开发的程序让图像比之前清晰了20倍 。 每年他们都拍下恒星的照片 ， 最终发现了轨道环绕的秘密 。
天文|诺奖史上首位女天文学家，给女孩树立榜样，她做到了
银河系中心自适应光学系统关闭和打开的对比图丨图源：UCLA Galactic Center Group
2002年 ， 盖兹团队结合散斑成像和AO计算得到了Sgr A*周围一颗恒星的完整轨道 ， 这颗恒星被他们命名为S0-2（S0-2也被称作S2 。 S0代表Sgr A*半径一角秒内的天体 ， 2代表距离中心第二近的恒星） 。 S0-2轨道周期只有不到16年（相比之下太阳围绕银河系中心运动一周要2亿多年） ， 速度高达每秒5000千米 ， 最接近中心时的距离只有120个天文单位 ， 不到冥王星到太阳距离的两倍 。 理论计算表明 ， Sgr A*约400万倍太阳质量 。 在如此之小的范围内存在如此巨大的质量 ， “这就是黑洞存在的证据 ， 我们别无选择 。 ” 盖兹说 。
天文|诺奖史上首位女天文学家，给女孩树立榜样，她做到了
盖兹团队模拟出Sgr A*周围恒星的运动轨迹 ， 其中S0-2得到了完整轨道 。 丨图源：Keck/UCL Galactic Center Group【视频请前往“返朴”观看】
25年竞争之路
在盖兹奋勇向前的路上 ， 一直有一位“宿敌”——他就是今年一同获奖的德国天文学家莱因哈德·根泽尔（Reinhard Genzel） 。 根泽尔算是盖兹的前辈 ， 1992年起就用欧洲南方天文台（ESO）位于智利的新技术望远镜（NTT ， 主镜口径3.58米；后来用8.2米甚大望远镜VLT）追踪恒星S0-2 ， 得到轨道周期数据也比盖兹团队稍早几个月 ， 所以他应该是最早证明了银河系中心存在超大质量黑洞 。 根泽尔团队与盖兹团队各自独立得出的结论是高度一致的 。 实际上 ， 根泽尔团队所用命名是S2 ， 至今两个团队也并未统一名称 。
天文|诺奖史上首位女天文学家，给女孩树立榜样，她做到了


推荐阅读


上一篇：供暖|多地公布今冬供暖时间 部分地区已提前送热

下一篇：天文|引人注目的高分辨率照片显示木星的大红斑上有洞