本文发表于《大众科学》的前博客网络,反映了作者的观点,不一定代表《大众科学》的观点
圣诞节似乎在天文学界具有特殊的意义,这并非因为伯利恒上空的任何星星,而是因为伟大的天文学家似乎在这一天开始或结束他们的生命。艾萨克·牛顿出生于儒略历的1642年12月25日,另一位天文学巨擘薇拉·鲁宾于昨天,即2016年圣诞节去世,享年88岁。在她一生的职业生涯中,她克服了重重困难,改变了我们对宇宙的看法。
鲁宾在瓦萨学院攻读天文学本科,并想进入普林斯顿大学攻读研究生,但直到1975年,女性才被允许进入研究生天文学项目。考虑到女性在上个世纪在天文学领域发挥的重要作用,这真是令人难以置信,也令人鄙视。在康奈尔大学完成物理学硕士学位后,她在那里与理查德·费曼和汉斯·贝特等巨擘以及才华横溢的诗人菲利普·莫里森一起学习,之后她搬到乔治城大学,并在另一位物理学奇才乔治·伽莫夫的指导下于1954年完成博士学位。在那段时间里,她晚上上课,而她的丈夫在车里等候,因为她不会开车。
她早期的研究涉及星系的运动,表明除了宇宙的哈勃膨胀导致的均匀后退外,大多数星系都有由于引力聚集成团而产生的小的特殊运动。在此期间,她在蒙哥马利县社区学院和乔治城大学兼职教学,同时还要抚养4个孩子,最终于1962年加入乔治城大学的教师队伍,以此来养家糊口。在此期间,她获得了足够的认可,成为1965年第一位被允许使用帕洛玛天文台仪器的女性。那一年,她搬到了华盛顿卡内基研究所的地球磁力部门,并在那里度过了余生的职业生涯。
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鲁宾最大的突破发生在几年之后,当时她与合作者肯特·福特一起研究了附近仙女座星系中恒星和气体的运动。此前,她曾与福特合作研究银河系相对于大量遥远星系的相对运动,表明银河系相对于背景哈勃流具有显著的速度。在加入DTM五年后,鲁宾和福特报告说仙女座的自转是异常的。它的外围旋转速度非常快,如果将其束缚在一起的唯一质量是望远镜可见的物质,那么它应该已经分崩离析了。
大约40年前,天文学家弗里茨·兹威基观察到遥远的后发座星系团内也存在异常的局部运动,这也表明该系统中存在的质量比可见物质所能解释的更多,但当时的研究结果被忽视了。
在鲁宾和福特观测仙女座的同时,澳大利亚天文学家肯·弗里曼也观察到其他旋涡星系也存在类似的异常自转,这再次表明存在现在被称为暗物质的东西。当时这些观测结果引起了很大的争议。我记得在20世纪70年代作为本科生时听过关于鲁宾的研究工作,但伴随这些讨论的还有关于天文学中可能混淆结论的系统效应的困难的警告。
尽管如此,鲁宾多年来一直与福特和其他合作者一起不知疲倦地工作,以证实这些结果,不仅在仙女座中,而且在我们自己的银河系中也是如此。到20世纪70年代末,当我进入研究生院时,暗物质已经开始获得广泛认可,到20世纪80年代,暗物质的存在主导了宇宙学模型的构建,最终影响了天文学和粒子物理学领域。在过去的这段时间里,不仅暗物质的存在在几乎所有大规模天文系统中都得到了证实,而且宇宙微波背景辐射(CMBR)的精确观测也探测到了它的性质,这不仅限制了暗物质的数量,而且还限制了它不是由普通物质(质子和中子)组成的这一事实。这一事实在我们理解星系形成过程中起着至关重要的作用,因为如果不能快速坍缩到早期由暗物质建立的势阱中,那么就没有足够的时间让宇宙微波背景辐射中观测到的小波动通过引力充分增长,从而形成今天的可见星系。
因为她的工作,鲁宾获得了许多奖项,其中包括继1828年的卡罗琳·赫歇尔之后,成为第二位获得英国皇家天文学会金奖的女性。她是美国国家科学院院士,并因其在暗物质方面的开创性工作而于1993年获得国家科学奖章。但更重要的是,薇拉·鲁宾是年轻科学家的出色导师。她热情而渴望帮助任何寻求她帮助的人。我记得在20世纪80年代,作为耶鲁大学的年轻助理教授,当我需要为我正在撰写的一本关于暗物质的书获得一些数据时,我突然联系了她,得到了她热情的鼓励,几天后就收到了数据。
在她的职业生涯中,鲁宾一直是年轻女性的杰出典范,她鼓励年轻女孩进入天文学领域并研究宇宙,并在专业组织中努力确保女性科学家的平等。但她并非因性别而定义,也不会因性别而被人们铭记,而是因为她作为一名科学家所做出的杰出贡献。正如她曾经写道的那样:“……我的数字对我来说比我的名字更重要。如果天文学家在多年后仍在使用我的数据,那将是对我最大的赞美。”
劳伦斯·M·克劳斯是亚利桑那州立大学的基金会教授和起源项目主任。他是一位理论物理学家和宇宙学家,也是许多畅销书的作者,包括“
无中生有的宇宙”。他的最新著作名为“有史以来最伟大的故事……到目前为止:我们为什么在这里?”。