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諾獎倒計時!她為何被看好能獲此殊榮?

9月
29
2018

2018年9月29日21時 今日科學 中國科學報

中國科學報

百萬年後,人類將何去何從?——走近「引文桂冠獎」得主天文學家桑德拉•法伯爾

美國時間9月20日,科睿唯安公司發布了被認為是諾貝爾獎風向標的2018年度「引文桂冠獎」的獲獎名單,其中美國科學院院士、加州大學聖克魯茲分校教授桑德拉•摩爾•法伯爾(Sandra Moore Faber)作為今年唯一的天文學家赫然在列。

法伯爾獲獎的原因為「研究出確定星系的年齡、大小和距離的開創性方法以及對宇宙學的其他貢獻,包括對『冷暗物質』的研究,該物質被認為是宇宙『丟失』的物質。」

這並不是法伯爾近年來獲得的來自外界的唯一認可。

法伯爾於2012年就獲得了天文界最高榮譽之一的布魯斯獎章,2013年獲得了由美國總統歐巴馬親自授予的美國國家科學獎章,2017年獲得了價值五十萬美元的格魯伯宇宙學大獎。

筆者非常有幸成為了法伯爾教授在晚年指導的學生之一,在這裡我就與大家聊一聊我所認識的法伯爾教授。

圖 1. 桑德拉·摩爾·法伯爾 (來源:法伯爾的個人主頁)

星系宇宙學的學術泰斗

大多數天文專業的學生第一次聽說桑德拉•法伯爾這個名字應該來源於早已被寫入星系物理教材中的法伯爾-傑克遜關係(Faber-Jackson relation)。

事實上,當你一旦邁入星系宇宙學這個領域的門檻,就很難避免見到法伯爾的名字,因為她幾乎參與了半個世紀以來所有關於星系宇宙學領域的研究。

早在1976年,法伯爾就與其學生羅伯特•傑克遜(Robert Jackson)發現了這一後來以其名字命名的描述橢圓星系光度與中心恆星速度彌散的關係。

這一關係的發現為天文學家首次提供了一個測量星系距離的比例尺,並由此啟發了人們對星系大小、亮度和速度彌散的整體關係的研究,這後來被稱為星系的「基本面」(fundamental plane)。

1979年,法伯爾與威斯康辛大學麥迪遜分校的約翰•加拉格爾(John S. Gallagher)共同發表了討論暗物質存在證據的文章。

幾年之後,法伯爾與加州大學聖克魯茲分校的林潮(Douglas Lin)、喬治•布魯門薩爾(George Blumenthal)、喬爾•普里馬克(Joel Primack)及劍橋大學的馬丁•里斯(Martin Rees)等人陸續討論了暗物質的基本性質,並提出了宇宙學中冷暗物質(cold dark matter)的概念。

這一概念現在已被人們廣泛接受,帶有宇宙學常數的冷暗物質模型(LCDM)被稱為「標準宇宙學模型」,儘管這一模型還存在著些許未被解決的問題。

法伯爾與普里馬克等人現在依然在試圖研究並完善標準宇宙學模型,筆者也參與了其中的部分工作。

圖2. 位於加州大學利克天文台(Lick Observatory)的三米謝恩望遠鏡(Shane telescope)的外部與內部照片。法伯爾曾任加州大學天文台台長多年。

天文學作為一門觀測學科,大科學裝置的建造很大程度上會影響學科的發展。因此,除了科學研究工作以外,法伯爾還積極參與了許多大科學工程與項目。

法伯爾是目前口徑最大的光學天文望遠鏡凱克望遠鏡(Keck telescope)的設計者之一。她參與設計了凱克望遠鏡的光學結構,並領導了凱克望遠鏡主要的後端光譜儀DEIMOS的建造。

同時,她還參與設計了哈勃空間望遠鏡上的廣域行星照相機WFPC。1990年,法伯爾與其學生診斷出了哈勃望遠鏡光學設計上的瑕疵,即廣為天文愛好者所知的哈勃望遠鏡的球差,並參與了修復工作。

在上世紀八十年代到本世紀初,法伯爾先後領導了包括「Seven Samurai」和「Nukers」等項目,推進了人們對星系、暗物質和超大質量黑洞之間關係的認識。

自2010年起至今,法伯爾領導了哈勃望遠鏡有史以來最大的項目CANDELS,其驚人的曝光深度使得人們能夠研究宇宙自早期以來各種星系的性質。

包括中國在內的十多個國家的科學家目前依然在對CANDELS項目的數據進行著深入地研究,希望能夠通過這個項目得到星系從結構到恆星形成等各個方面的演化規律。

圖3. 室女座星系團局部:圖中右側最延展的亮源便是室女座星系團的中心橢圓星系M87。

雖然在天文學的各個領域都取得了令人矚目的成就,然而對於被科睿唯安公司預測將獲得諾貝爾獎,法伯爾則顯得非常謙虛。

她非常感謝評委們能夠肯定她的學術貢獻,但在同時,她認為不應將功勞全部歸於她一人——無論是對星系的基本性質還是對冷暗物質的研究,她一直在與許多學者通力合作。沒有他們的幫助,她無法取得今天的成就。

圖4. 2013年美國總統歐巴馬為法伯爾授予美國國家科學獎章

亦師亦友的領路人

筆者是從2016年夏天開始加入法伯爾的研究團隊的。

懷著對法伯爾學術成就的敬佩,筆者與她第一次通郵件的時候十分緊張,尊稱她為法伯爾教授。而她在接下來的回信中則很親切地讓我直呼她的暱稱桑迪Sandy(本文為表示尊敬,依然採用了法伯爾的稱呼)。

在我第一次抵達聖克魯茲的當晚,她邀請我一起參加了在喬爾•普里馬克教授家裡舉行的美國獨立日派對。在派對上,我們一邊飲著某位教授自己釀的果酒,一邊探討星系宇宙學的未來。她對於星系和宇宙的本質是那樣地著迷,以至能從她的言語中體會到一種「朝聞道,夕死可矣」的境界。

儘管已經74歲高齡,法伯爾依舊保持著驚人的活力與耐心。平日裡她每天9點總會準時到達學校。

法伯爾的辦公室位於加州大學聖克魯茲分校內自適應光學中心(CFAO)的一樓,然而她幾乎從不坐在自己的辦公室內——她永遠都會坐在CFAO二樓大廳的桌前辦公,據她說這是為了更方便與不同的人交流。

她的午餐時間永遠都安排了「lunch talk」,會與不同的教授、學生和訪問者們邊享用從家裡帶來的健康的午餐,邊從宇宙的起源聊到人生哲學。

法伯爾對待學生的耐心與循循善誘是許多教授所不具備的。

在我與她做第一個課題的時候,我們常常單獨討論好幾個小時。印象里最長的一次,我們從上午九點一直討論到傍晚六點,中途的午飯便在會議室解決,總時間竟長達9個小時!

「要試著對導師說不」是她常常跟我提到的一句話。她鼓勵學生在不認同導師的觀點時表示反對,並在自己真的出錯的時候會主動接受並及時改正。

她對待學術認真嚴謹而又虛心的態度在某種意義上來說使她達到了今天的成就。她常說這個時代是星系宇宙學研究的「黃金時代」,她很榮幸能夠親身參與如此之多的重要工作。

這不禁令人思考,究竟是這個時代成就了她,還是她造就了這個時代呢?

圖5. 法伯爾(左三)在與筆者(左二)及上海天文台林琳博士(左一)討論課題 ()

中國天文的好夥伴

法伯爾本人與中國有著不解之緣。

法伯爾與許多中國學者都有著良好的私人關係,她對中國文化也有著很濃厚的興趣。她喜愛吃中餐,能夠熟練地運用筷子,還喜歡飲茶。

近年來法伯爾經常到中國進行學術訪問。

2015年還在南京大學天文繫念書的我第一次在位於南大的講座現場見到了法伯爾。在報告結束之後我匆忙上去與她合影,從沒想過後來她竟能成為我的導師,而後來才知道她近些年對中國學生可謂是青眼有加。

最近五年來,跟她工作過的來自中國的本科實習生以及青年學者已有十餘人,她也依然歡迎更多來自中國的學生。

她與林潮老師等人力推的中國國家留學基金委與加州大學聖克魯茲分校天文系的博士合作項目已於去年簽署,越來越多的中國學生將有機會前往這個現代天文研究的中心之一的地方進行學習。

2017年法伯爾再次對中國進行了一次深入的訪問。

在去過位於貴州平塘的「中國天眼」FAST之後,她對總工程師南仁東老師的才華十分欽佩。而在雲南天文台高美古觀測站里,她還對一台存在著一些工程問題的光譜儀提出了一些修改建議。

法伯爾對於中國天文的發展非常關心,她曾對我國計劃建造的12米光學紅外望遠鏡的設計提出過許多非常詳細的建議。她還於近日出任了北京大學科維理天文與天體物理研究所理事會的聯合主席,將對研究所的運行提供指導與監督。

圖6. 2018年9月19日法伯爾在北京為「人類命運共同體的『星』征程」專題論壇作報告

人類命運的思考者

作為一個天文學家,法伯爾習慣了從宇宙學的時標來思考問題。畢竟對於星系演化來說,一億年的尺度尚且不算很長,百十萬年幾乎更是彈指一揮間。

然而,對於人類來說,我們從來沒有從宇宙學的時間尺度上認真考慮過自己的未來。

千百年來,一代又一代的人類在思考未來的時候最多從自己的子女考慮到孫輩甚至重孫輩,可是沒有人對整個人類文明在宇宙學時標上的發展進行過嚴謹的科學研究。

因此,法伯爾正在致力於推動加州大學聖克魯茲分校下屬的地球未來研究所和加州大學系統下屬的起源與深度時間研究中心。

在這兩個機構中,來自包括但不限於天文學、地球科學、生物學、計算機科學、經濟學、政治學等各個學科的精英學者們將從一百萬年的時間尺度上思考地球和人類的未來。

一百萬年將經歷四千代人類的繁衍,到那時,地球的未來將會如何?人類存在的終極目的將會是什麼?地球和人類的存在又重要嗎?人類這個物種從哲學意義上的價值觀又會是怎樣的?

這些問題值得思考,也應該有人開始去認真地思考。

作為加州大學起源與深度時間研究中心的負責人,法伯爾將激發無窮的想像力,帶領人們開創這一關乎人類未來問題的討論,她也真誠地邀請來自中國的學者能夠參與到這一項目之中。

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