高中老師建議她「遠離科學」，而她卻引領了一場天文學革命

　　鞠強 發表於  2019-04-15 10:48

　　|· 本文來自「我是科學家」·|

　　每當夜晚降臨，仰望星空之時，你是否想過這樣一個問題——宇宙中有沒有我們永遠也看不到的物質呢？

　　人們曾經以為，眼睛和望遠鏡看到的宇宙就是宇宙的全部，是恆星、行星這些天體的集合。

　　直到20世紀70年代，這個想法被徹底顛覆。人類從此真正意識到，原來宇宙的大部分「內容」都是不可見的。

　　而這一場哥白尼式的天文學革命的發起者，正是今天故事的主人公：薇拉·魯賓（Vera Rubin）。

　　

　　薇拉·魯賓（1928-2016）和她收集的地球儀。圖片來源：參考資料[1]

　　我能成為天文學家嗎？

　　1928年7月23日，魯賓出生於美國賓夕法尼亞州的費城。10歲的時候，全家搬到了華盛頓。在華盛頓的新家，她的床緊靠北邊的窗戶。就是從這個時候開始，她被夜空深深吸引，整晚躺在床上觀察星星的移動。當有流星雨的時候，她還會把流星的軌跡都記錄下來[2]。

　　魯賓的父親是一名電子工程師。雖然他對於天文學的就業前景不太看好，但仍然支持女兒的興趣，不僅幫助她製作望遠鏡，還和她一起去參加業餘天文學家的聚會[3]。魯賓也會在寫英文作文的時候，選擇一個天文學話題。總之，她會抓住各種機會接觸和了解天文學。

　　高中畢業后，魯賓進入瓦薩學院（Vassar College）學習。瓦薩學院是當時為數不多的女性可以學習天文學的地方，更重要的是，這裡有美國歷史上第一位女性職業天文學家，也是瓦薩學院第一位天文學教授——瑪莉亞·米歇爾（Maria Mitchell）。魯賓也正是得知米歇爾後，才確定天文學可以作為女性的職業[4]。

　　

　　魯賓在瓦薩學院學習時，就已經開始進行天文學觀測。圖片來源：Vassar College

　　1948年，魯賓從瓦薩學院天文學專業畢業，前往康奈爾大學攻讀碩士學位。但是，無論是在瓦薩學院還是在康奈爾大學，天文學都不是一個傳統優勢學科，魯賓在學習過程中也感到自己並未真正融入天文學界。魯賓在後來的一次採訪中回憶道，自己一生中都在試著回答這樣一個問題：我能真正成為一名天文學家嗎？

　　不過，魯賓在康奈爾大學還是找到了相伴她一生的研究。當時，她與瑪莎·卡彭特（Martha Stahr Carpenter）一起工作。卡彭特對星系及其內部運動有很大的研究熱情，魯賓也受到了感染。正是在卡彭特的課上，魯賓對星系動力學產生了興趣，並從此作為整個職業生涯的研究方向[5]。

　　1951年，魯賓在康奈爾大學獲得碩士學位時，她的丈夫羅伯特·魯賓已經在華盛頓的應用物理實驗室（Applied Physics Lab）找到了一份工作，因此她也隨著一起去了華盛頓。在華盛頓，只有喬治城大學可以授予天文學博士學位，因此她就進入喬治城大學攻讀博士學位。1954年，魯賓在伽莫夫（George Gamow）的指導下獲得了博士學位[2]。

　　暗物質就是答案

　　1965年，魯賓加入了位於華盛頓的卡內基研究所（Carnegie Institution），在地磁學系獲得了一個研究職位，並與肯特·福特（Kent Ford）成為長期的合作夥伴。當時，福特改進出一種非常靈敏的光譜儀，由於使用了當時最先進的光電倍增管，這台光譜儀可以幫助使用者以前所未有的精度研究星系的局部區域。

　　

　　1965年，魯賓和福特（帶白帽子的人）在洛威爾天文台（Lowell Observatory）檢查他們的設備。圖片來源：Carnegie Institution

　　有了這樣的設備，魯賓和福特要找到一個合適的研究方向。1963年，天文學家發現了類星體，這很快成為研究熱點，魯賓和福特也嘗試進行相關研究。但是，魯賓發現，由於沒有望遠鏡，無法獲得足夠的觀測時間，他們很難在競爭中有所突破。

　　

　　魯賓在基特峰國家天文台（Kitt Peak National Observatory）使用2.1米望遠鏡。圖片來源：NOAO/AURA/NSF

　　大約過了一兩年，魯賓意識到，這種競爭不是她想要的研究方式。她希望選擇一個感興趣的領域，但又不是那麼熱門，不會有很多人關注，這樣她就可以在取得成果之前安心於自己的研究而不被打擾。於是，20世紀60年代末和70年代初，她嘗試去觀測仙女座星系（Andromeda Galaxy，代號M31），重新回到星系動力學研究中。

　　

　　仙女座星系。圖片來源：Wikimedia Commons

　　魯賓和福特使用光譜儀去研究位於螺旋星系不同部分的恆星的光譜。星系盤上的恆星大概在繞中心的圓形軌道上運行。在觀測開始的時候，他們預計會觀察到星系的運動和太陽系類似：由於星系的質量大部分都集中在星系中心，而這些質量產生的引力決定了旋轉的速度，因此靠近星系中心的恆星運動得快，遠離星系中心的恆星運動得慢。

　　然而，根據觀測繪製的旋轉曲線大大出乎他們的意料。他們發現，星系中從裡到外的恆星的旋轉速度幾乎相同。他們又觀測了其他的星系，發現它們的旋轉曲線沒有什麼區別。他們為此感到震驚，但並不明白平坦的曲線究竟意味著什麼。

　　

　　螺旋星系的典型旋轉曲線。根據預測，恆星的旋轉速度隨著到星系中心的距離的增加而減小，如曲線A所示；但是實際觀測結果為曲線B，隨著距離的增加恆星的旋轉速度幾乎沒有變化。圖片來源：參考資料[6]／漢化：鞠強

　　魯賓花了很長時間去理解這些旋轉曲線的含義。直到有一天，她在紙上畫了一些草圖，然後突然間就明白了：如果星系外圍存在大量不可見的物質，即有一個暗物質暈的話，那麼星系的質量就會在星系中各處分佈，而不是集中在星系的中央，因此引力所決定的旋轉速度也會各處大致相同。

　　暗物質這個概念並非最早由魯賓提出。1933年，瑞士天文學家弗里茨·茲威基（Fritz Zwicky）在分析后髮座星系團的星系的多普勒速度時就發現，星系團內的星系的移動速度太快，可見物質產生的引力不足以把這些星系束縛在一起。既然星系團沒有表現出分崩離析的跡象，那麼一定存在不可見的物質——暗物質——把星系團束縛在一起。但是，當時根本沒人在意茲威基的結論，他的發現被束之高閣。

　　1975年，魯賓在美國天文學會的一次會議上宣布螺旋星系中的大部分恆星以大致相同的速度繞星系中心旋轉。這個結果暗示，要麼牛頓引力定律在宇宙各處中並非普遍適用，要麼就是存在她推測的暗物質暈，提供支持外圍恆星高速運動所需的引力。既然找不到修正牛頓引力定律的理由，那就只有暗物質這一個選項。

　　雖然目前天文學家仍然沒有直接捕捉到暗物質，因此也不清楚暗物質究竟是什麼，是一種粒子還是多種粒子，亦或是其他未知的作用機制，但是除了星系動力學外，包括宇宙微波背景輻射和引力透鏡在內的其他天文觀測也都支持暗物質的存在。在接下來的數十年裡，大量的觀測證據都支持魯賓的結論[7]。

　　根據目前的觀測，宇宙中可見的普通物質只佔大約5%，另外有26%的暗物質和69%的暗能量。在宇宙演化的過程中，這一比例也在發生變化。

　　

　　宇宙目前的能量分佈，可見物質約佔5%（不同研究給出的數據略有不同）。圖片來源：參考資料[8]／漢化：鞠強

　　暗物質的發現徹底改變了人類對宇宙的認識。暗物質被嵌入到宇宙演化的模型中，成為組成星系的重要成分。人們終於意識到，如果沒有暗物質的束縛，也許的銀河系早就分崩離析，也許人類根本沒有機會仰望星空。

　　與性別歧視抗爭

　　和很多同時代的女性科學家一樣，魯賓從讀書的時候開始就不得不去面對不公和輕視，而她卻始終沒有因此屈服。

　　在她高中畢業的時候，她告訴物理老師，自己拿到獎學金，可以去瓦薩學院讀書。物理老師只是說：「只要你遠離科學，你就能做的很好。」幸運的是，魯賓並沒有聽從他的建議[2]。

　　魯賓在研究生涯的初期，曾經有一次前往位於加州的帕洛瑪天文台（Palomar Observatory）訪問，她是最早被允許進入這座天文台的女性之一。但是她發現，那裡並沒有女洗手間。於是，魯賓去自己的房間，用紙剪出一個裙子的圖案，然後把它貼到了洗手間的門上。她告訴同行的普林斯頓大學的天文學家妮塔·巴科爾（Neta Bahcall）：「這邊請，現在你有女洗手間了。」巴科爾回憶說：「魯賓就是這樣的人。」[5]

　　

　　加州的帕洛瑪天文台（Palomar Observatory）。圖片來源：Wikimedia Commons

　　雖然一直致力於為女性、特別是天文學界的女性爭取權利，但魯賓也有感到疲憊的時候。她的女兒也是一位天文學家，有一次去日本開會，回來告訴魯賓說，會上只有她一位女性。魯賓因此感到有些沮喪，因為從她到她女兒，過了整整一代的時間，情形似乎並沒有什麼大的變化[2]。

　　數據比名望更重要

　　魯賓一生獲得了很多榮譽。1996年，她獲得皇家天文學會金質獎章，是歷史上第二位獲得這一榮譽的女性天文學家，而此時距離上一位女性天文學家獲獎已經過去了168年。第5726號小行星以魯賓的名字命名，火星上也有以她的名字命名的地貌[4]。

　　但在眾多榮譽中，卻不包括諾貝爾獎。儘管很多人認為她對暗物質的開創性研究足以獲獎，並且生前也是獲得諾貝爾獎最有力的女性候選者。但就像其他很多傑出的科學家一樣，魯賓的工作不必一定要用一個獎項來衡量。或許正如華盛頓大學的天文學家埃米莉·勒斯克（Emily Levesque）所說，未曾獲得諾貝爾獎不會有損魯賓的成就，卻是諾貝爾獎的遺憾，因為它會永遠缺少對如此傑出的成就的認可[5]。

　　

1990年，魯賓在接受《發現》（Discover）雜誌的採訪時就說到：「名望轉瞬即逝。對我來說，我的數據比我的名字更重要。如果天文學家在接下來的一些年裡繼續使用我的數據，那就是對我最大的褒獎。」[9]

　　

　　薇拉·魯賓一生都沉浸在自己摯愛的興趣中。圖片來源：academcity.org

　　魯賓的4個孩子全部擁有博士學位，除了女兒成為天文學家外，還有2個成為地質學家，1個成為數學家。他們認為，是母親讓科學看起來充滿樂趣而令人嚮往，這也激勵了他們投身科學[4]。

　　2016年12月25日，魯賓逝世於美國新澤西州普林斯頓，享年88歲。她曾經說過：「在我的生命里，沒有什麼事情能和每晚注視夜空一樣有趣。」即使沒有獲得諾貝爾獎，魯賓仍然是一個非常幸運的人，因為她的一生都沉浸於自己摯愛的興趣之中，正如她所希望的一樣。

　　她化作永恆的星光，照亮了充滿暗物質的宇宙。（編輯：Yuki）

　　作者名片

　　

　　參考文獻：

　　https://www.si.edu/newsdesk/snap ... lifelong-astronomer

　　https://www.aip.org/history-prog ... ral-histories/33963

　　https://www.amnh.org/learn-teach ... bin-and-dark-matter

　　https://en.wikipedia.org/wiki/Vera_Rubin

　　http://www.astronomy.com/news/2016/10/vera-rubin

　　https://www.e-education.psu.edu/astro801/book/export/html/1863

　　https://en.wikipedia.org/wiki/Galaxy_rotation_curve

　　http://chandra.harvard.edu/resou ... ons/darkmatter.html

　　https://www.aps.org/publications ... /physicshistory.cfm