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2020-08-17 14:27
她是哈勃望远镜之母,空间天文学领域的“灭绝师太”

哈勃空间望远镜是当今最著名的天文望远镜,“哈勃”在公众心中甚至是天文学的代名词。但你知道孕育它的“哈勃之母”吗?她就是南希·格蕾斯·罗曼。罗曼不仅在天文学上颇有建树,成为美国国家航天航空局的第一位首席科学家,管理多个项目,还被视为塑造了空间天文学50年面貌的人物。因为她的强势,她还曾是许多天文学家眼中的“灭绝师太”,本文就跟大家聊聊这位传奇天文学家的故事。


本文来自微信公众号:返朴(ID:fanpu2019),作者:王善钦,题图来自:NASA


2020年5月20日,美国国家航天航空局(NASA)局长Jim Bridenstine宣布,将“宽场红外空间望远镜”(WFIRST)改名为“南希·格蕾斯·罗曼空间望远镜”——缩写为“罗曼空间望远镜”,以纪念传奇天文学家南希·格蕾斯·罗曼(Nancy Grace Roman,1925~2018)


罗曼望远镜的艺术想象图 | 来源:NASA


罗曼空间望远镜是NASA未来最重要的空间项目之一,经费预算高达39亿美元,折合人民币大约280亿元。在NASA未来项目中,除了耗资近百亿美元的詹姆斯·韦伯空间望远镜之外,罗曼空间望远镜可以算得上排名靠前的烧钱项目了。


在WFIRST被改名之前,罗曼就已经被誉为“哈勃空间望远镜之母”,简称“哈勃之母”。因此,这次NASA将WFIRST改为罗曼望远镜,本身不值得惊讶。


但是对于公众来说,南希·格蕾斯·罗曼却是一个相对陌生的人。她是谁?她为什么被称为“哈勃之母”?她为什么被众多天文学家视为“灭绝师太”。本文将介绍这位塑造了空间天文学50年面貌的传奇人物。


为天文而生,热爱从童年开始


1925年5月16日,南希·格蕾斯·罗曼出生于美国田纳西州首府纳什维尔市。她的母亲乔治亚·弗兰西斯·斯密斯·罗曼(Georgia Frances Smith Roman)是一个音乐教师,她的父亲欧文·罗曼(Irwin Roman)是一名地球物理学家。


在罗曼出生后仅三个月,全家就搬到俄克拉荷马州。此后,罗曼又随着父母辗转搬到得克萨斯州、新泽西州、密歇根州、内华达州与马里兰州,每次搬迁都与其父亲的工作调动有关。比如,他们从东北部的密歇根州搬到西部沙漠地带的内华达州的原因是,她父亲被任命为联邦地理研究西部区域的首席科学家。


这样不平凡的家庭,对罗曼的成长产生了重要影响。罗曼在1980年接受的一次采访中说,她的父母激发了她对科学的强烈兴趣。她的母亲带着她欣赏星座、极光等天文现象,还带她观察鸟类、树木、各种动植物。


在内华达州时期,罗曼对天文产生了最强烈的兴趣。当时罗曼一家居住在雷诺市的边缘,此处人员稀少,很少有灯光污染,加上沙漠地区的干燥空气,使这里非常适宜天文观测。罗曼在这里看到了空前清晰,璀璨美丽的星空。


轻微光污染时,于内华达黑岩沙漠拍摄的银河与附近的星空,右下角亮星为木星,木星下方为红色的心宿二,此图拍摄于2007年 | 来源:Steve Jurvetson


11岁那年,罗曼与邻居的小女孩们一起组建天文俱乐部,看口袋书《观星》(Seeing Stars),认识星座。不久后,罗曼随父母搬到马里兰州的巴尔的摩,在那里读中学。正是从中学时代开始,罗曼决定将来投身天文研究。


在那个时代,公众依旧对女性充满偏见,认为女性不适合学习科学。这使得喜欢科学的罗曼在同学中像个异类。她曾经问辅导员是否可以不学拉丁文而去学代数,辅导员立即嘲笑她:“怎样的女子才会不学拉丁文而去学数学?”


性别歧视并未浇灭罗曼对科学的热情。高中毕业后,罗曼进入位于宾夕法尼亚州的斯沃斯莫尔(Swarthmore)学院,她选择了天文学。尽管周围的老师都不鼓励她的这个兴趣,但她却丝毫不退缩。在大学里,罗曼认真使用两台学生用的天文望远镜,学习各种观测技巧。


斯沃斯莫尔学院内的天文台,这是罗曼曾经奋斗过的地方 | 来源:Smallbones


芝加哥大学的天文新星


1946年3月,21岁的罗曼进入芝加哥大学攻读博士学位。芝加哥大学当时掌管着位于校内的叶凯士天文台与位于得克萨斯州的麦克唐纳天文台,拥有一流的天文观测资源。与此同时,著名的《天体物理学杂志》的编辑部当时也在叶凯士天文台内,著名天文学家云集,这使得当时的芝加哥大学成为天文学的圣地之一。


罗曼进入芝大后,拜访了学校里的三位教授:奥托·斯特鲁维(Otto Struve,1897~1963)、乔治·冯·别斯布洛克(George van Biesbroeck,1880~1974)与威廉·摩根(William Wilson Morgan,1906~1994),请求他们给她课题。三位天文学家都给了罗曼题目。斯特鲁维是当时世界闻名的天文学家,是恒星天文学方面的权威,他给了罗曼一个理论课题;别斯布洛克给了罗曼一个数据处理课题;摩根给了罗曼一个观测课题。


这三人中,摩根后来成为罗曼的博士课题的导师。事实上,摩根一开始并不喜欢罗曼,一度在半年时间内都不与罗曼交谈。在摩根的指导下,罗曼在恒星光谱方面的研究进展很快,于1949年获得芝加哥大学的博士学位。此后几年,罗曼留在芝大继续研究恒星光谱。


从1948年到1956年的8年时间是罗曼天文研究的黄金时期,每年她都有以第一作者身份的论文发表。有人统计了罗曼在1948年到1956年的第一作者论文至今(2020年)为止的被引用的情况,发现以下论文进入当年发表后被引用数的前100名:


研究金属线恒星分类的论文(1948年);排名23


研究大熊座的运动星群的论文(1949年),排名28,凭着这篇论文,她获得博士学位;


研究英仙座的运动星团的论文(1950年),排名97;


研究两类恒星光谱与动力学特征的关系(1950年),排名51;


研究天鹅座早型恒星的会聚现象的论文(1951年),排名70;


研究某些类型的明亮恒星光谱的论文(1952年);排名17


研究高速F型恒星的论文(1954年),排名50;


编制高速运动的恒星的星表的论文(1955年),排名20;


研究掩食双星的光谱类型的论文(1956年),排名54。


这些论文被引用的名次彰显了罗曼在恒星光谱研究领域的重要地位。不过,最先为罗曼带来国际声誉的是她1953年发表的一篇研究恒星天龙座AG星(AG Draconis)的光谱的论文。在这篇论文中,她告诉同行,天龙座AG星的光谱会在短时间内彻底改变,然而这篇文章未进入当年出版论文被引用次数前100的论文之列。


后来,她谦虚地声称自己只是运气好,恰好看到了这种短暂的迅速变化。但如果没有长期的努力与智慧,仅凭运气是无法获得这个成果的。


离开芝大,成功转型


虽然罗曼在1948年之后学术上进步迅猛,前途似乎一片光明,但是,她实际上在芝大遇到了事业的天花板:由于性别歧视,当时没有女性能在芝加哥大学获得教职。有其他几所大学主动为她提供教职,但她发现那些大学没有足够的天文观测设备,因此没有接受。


无奈,罗曼只能另谋高就。在芝大的著名天文学家柯伊伯(Gerard Kuiper,1905-1973)的推荐下,她于1954年前往海军研究实验室(NRL)任职,从事当时新兴的射电天文学研究。1951年,NRL在办公楼的楼顶安装了直径15米的射电望远镜,那是当时世界上最大、最精确的射电望远镜。


2019年,网友“Antony-22”在一辆车租车上拍摄的海军研究实验室的办公楼以及楼顶的射电望远镜 | 来源:Antony-22


尽管研究领域从光学转到射电,罗曼还是很快进入佳境,仅用了3年就成为NRL微波领域的领头人。得益于她在光学天文学方面的强大背景,她成为实验室里少数横跨多个领域的权威之一。在此期间,她还成为一个火箭-卫星项目的顾问;这个角色使她开始接触到空间天文学,成为她人生的重要转折点。


在NRL工作期间,罗曼于1956年应邀访问了亚美尼亚——当时苏联的加盟国之一。不久后,罗曼访问苏联。这些活动都提高了罗曼的声望,也引起了刚建立不久的NASA的决策者的注意。在一次NASA报告会上,有人询问她,是否认识一些有兴趣为NASA建立空间项目的人。罗曼认为这是在邀请自己,因此申请前往NASA。


NASA的第一位首席天文学家


1959年2月底,罗曼前往NASA工作,当时NASA才建立不到半年(1958年7月29日成立)。罗曼入职后,迅速被任命为首席天文学家,从而成为NASA的第一位首席天文学家,也成为NASA第一位女性高级管理人员。


这次选择使罗曼从一个天文学家转变为行政主管,因为NASA的这个职位只允许最多使用20%的时间做研究,实际上可能没有任何时间做研究。事实上,她此后确实无法继续做研究了。多年后,罗曼回忆起这个选择,说自己从未后悔,因为她在当时就认为自己选择了一个可以影响未来天文学50年的重要方向。


这个方向就是:空间天文学。


60年代,罗曼在NASA的办公室拍摄的照片 | 来源:NASA


空间天文学的目标是将望远镜发射到太空中。由于地球大气的阻挡,地面望远镜不能观测到天体发射出的伽玛射线、X射线、大部分紫外线、大部分红外线等电磁波,而发射到太空中的空间望远镜却可以轻松地探测到这些信号。即使是地面能够观测到的可见光,因为大气流动的影响,成像质量也受到一定影响。而观测可见光的空间望远镜就不受大气影响,成像非常完美。


罗曼的选择极富远见。


到NASA之后,罗曼迅速接手了“轨道太阳天文台”项目,这个项目要将一个卫星发射到太空,一边绕着地球转,一遍观测太阳的辐射。同时,她还接管了NASA研究测地学与相对论的太空项目。从1961年到1963年,罗曼同时担任天文与太阳物理首席科学家。


在NASA期间,罗曼不仅负责多个空间天文项目,还要当“天文政治家”,四处演讲,向天文学家介绍空间天文的进展,化解传统天文学家对空间天文学的敌意,并物色对空间天文感兴趣的天文学家,邀请他们加盟。


这样的风格此后成为NASA的惯例,NASA的科普做得好,也因为罗曼等人早期就建立了这样的传统。


为哈勃望远镜铺路


20世纪60年代,美国与苏联的太空竞赛进入白热状态,两国的火箭技术迅猛发展。天文学家也抓住了这个机遇,开始规划可以用火箭送入太空的大型空间望远镜,它们也被称为“空间天文台”。


这些项目中,野心最大的是建造一个3米口径的空间望远镜的计划。天文学家们建议用土星5号将它发射到太空,用它观测天体发出的紫外线、可见光与近红外线。


作为NASA空间项目的负责人,罗曼采纳了这个建议,但她却决定用更稳健的方式来推进这个项目:先制造并发射更小的光学望远镜,验证项目的可行性,为将来3米的大型空间望远镜积累必要的技术。


在整个60年代与70年代,罗曼负责发展了4个空间天文台:于1962年被发射升空的轨道太阳天文台(OSO)以及先后于1966年、1968年与1972年被发射升空的“轨道光学天文台”1号、2号与3号,即OAO-1、OAO-2与OAO-3。


1962年,罗曼与轨道太阳天文台的模型合影 | 来源:NASA


其中,OAO-1因太阳能电池板没有展开而在升空3天后丧失功能。罗曼等人总结经验教训后,继续推进。此后,OAO-2与OAO-3在升空后成功运行。OAO-3在升空后的第二年被改名为“哥白尼天文台”,以纪念哥白尼500周年诞辰(Mikołaj Kopernik,1473~1543)


通过这两个轨道光学天文台,天文学家观测到许多恒星与星系发出的紫外线与可见光,验证了空间光学望远镜的可行性,直接促进了大型空间望远镜的立项与制造。


洁净间里的轨道光学天文台-3号(OAO-3,哥白尼天文台) | 来源:NASA


1962年,罗曼坐在位于戈达德飞行中心的哥白尼天文台(OAO-3)的控制台前。这是发射成功之后应媒体要求摆拍的,她实际上从未在戈达德飞行中心的控制室工作过 | 来源:NASA


除了几个重要的光学轨道天文台之外,罗曼在NASA任职期间还管理了4个测地卫星项目与3个空间X射线或伽玛探测项目:1970年发射的X射线探测器乌呼鲁(Uhuru)卫星、1972年发射的伽玛射线小天文卫星2号、1975年发射的X射线小天文卫星3号。


管理能力超人的罗曼还规划或参与规划了天文火箭项目、相对论引力红移效应探测项目、空间实验室项目、双子项目、阿波罗项目、气球天文项目、机载天文台项目,等等。对于国际紫外探测器的立项,她也起到重要作用。


值得一提的是,第二个机载天文台项目被命名为“柯伊伯天文台”,而当年罗曼正是在柯伊伯的推荐下获得合适的正式职位。


哈勃望远镜之母


OAO-2成功运行之后,罗曼与NASA的其他高管确定可以发展3米口径的大型空间望远镜。一旦确定可以发展这样的大望远镜,罗曼就立即投入宣传之中,到处大力宣传这个大型空间望远镜的重要价值。


1971,罗曼设立了大型空间望远镜的科学指导小组,组织起大量天文学家与工程师推进该项目。在大型空间望远镜项目因为预算太高而一度于1974年被暂停后,罗曼与斯皮泽(Lyman Spitzer,1914-1997)等多位著名天文学家四处游说,终于让这个项目重新启动。1983年,大型空间望远镜被改名为“哈勃空间望远镜”。由于经费削减,这个望远镜的口径被确定为2.4米。


1966年,罗曼与哈勃空间望远镜(当时的名称还是“大型空间望远镜”)的模型合影 | 来源:NASA


由于罗曼在哈勃项目中的重要作用,曾经担任过哈勃的首席科学家的Ed Weiler, 称她为“哈勃空间望远镜之母”(the mother of the Hubble Space Telescope)。这个称呼很快被很多人所承认。罗曼对于这个称呼感到不安,她认为这个称呼抹杀了其他人对“哈勃”的贡献。


但她有资格获得这个荣誉。


首先,她在此前负责管理的几个光学空间天文台项目直接为哈勃望远镜的立项提供了最牢固的基础。


她负责的OAO-2是人类历史上第一个成功运行的轨道光学天文台,虽然上面的望远镜的口径只有30厘米,但却发展出了可靠的指向系统,这对于空间望远镜在轨道上调整姿态、观测任意方向的目标是至关重要的,是哈勃之前的一个巨大飞跃。因此,OAO-2是“哈勃之兄”;而作为OAO-2的负责人,她自然也就是“哈勃之母”。此后获得更大成功的OAO-3更是进一步提升了人们对空间光学天文台的信心,也为哈勃的规划提供了宝贵经验。


其次,她从1968年开始就大力推动哈勃的立项,并规划了项目的具体分工,四处宣传,从一开始就是发展哈勃的驱动力。在整个70年代,她一直负责写工作汇报,推动国会不断投资。所以罗曼的“哈勃之母”称号实至名归。


天文学家眼中的“灭绝师太”


尽管罗曼领导的空间天文台项目对天文学产生了重大的正面影响,但并非所有人都喜欢罗曼。事实上,痛恨她的人很多。


在罗曼掌管NASA空间天文项目期间,她对天文学家或工程师提出的项目申请有生杀予夺的大权。她拒绝采用当时已经流行的“同行审议”模式,而是亲自审核所有天文学家向NASA提交的立项申请与观测申请,决定谁可以过,谁不可以过。


这样的模式使得她也会出现失误,无法永远保持公正。比如,她曾一度否决“宇宙背景探测器”(COBE)项目申请,认为这个项目没价值,幸好后来她回心转意了。COBE卫星于1989年被发射升空后,成为探测到完整范围的宇宙微波背景辐射的第一个探测器,项目负责人约翰·马瑟(John C. Mather,1945-)与乔治·斯穆特(George Fitzgerald Smoot III,1945-)于2006年获得诺贝尔物理学奖。


2017年,罗曼与COBE项目负责人之一约翰·马瑟的合影 | 来源:NASA/GSFC/Jim Jeletic


那些被罗曼拒绝的天文学家们对她相当痛恨,就像《倚天屠龙记》中明教教众痛恨峨眉派掌门人灭绝师太。在她执掌NASA空间天文学的时代,她就是许多天文学家眼中的“灭绝师太”。这是这个灭绝师太比书上的更强大得多:没有一个类似于张无忌的天文学家能够制服她。


罗曼生杀予夺的强势风格,让大量天文学家不安,即使是那些曾经被她批准的人,也担心将来会被她或继任者所支配。此外,许多天文学家认为,虽然NASA在统筹此前的空间望远镜项目方面经验丰富,但对于复杂得多的哈勃,则需要更多NASA之外的人来共同决策与运营。


因此,在哈勃尚未升空时,天文学家们就开始与NASA激烈争夺将来管理哈勃望远镜的权利。最终,NASA同意由一个独立于NASA的机构为他们管理哈勃空间望远镜、审议天文学家的观测申请。这个机构就是后来非常著名的空间望远镜研究所(STScI),它于1981年成立,位于马里兰州的巴尔的摩(恰好是罗曼读中学的地方)的约翰·霍普金斯大学校园内,隶属于美国大学天文联合会(AURA)


STScI刚成立时,研究所成员在临时办公室门口合影 | 来源:STScI


从这个角度看,罗曼,这位加强版的灭绝师太,间接推动了空间望远镜研究所的建立。


哈勃升空之前,STScI就开始编制导引星的星表,为将来哈勃在太空中确定观测目标提供导引。哈勃升空之后,STScI负责接收、储存、处理哈勃得到的数据,审批天文学家的观测申请。特别是,STScI的所长拥有特别的“所长支配时间”(director's discretionary time,DDT),著名的“哈勃深场”就是用DDT完成的,而证明宇宙加速膨胀的两项研究也得到DDT的关键帮助。STScI的巨大成功也证明了此前天文学家努力摆脱NASA支配的行动是成功的。


尽管STScI是天文学家与NASA的激烈争辩后获得的胜利,但STScI在此后一直与NASA愉快合作,其官网更是将NASA的建立、罗曼被NASA任命为首席科学家列为自身历史的重大事件。将来,以罗曼姓名命名的罗曼空间望远镜——哈勃的继任者之一——升空之后,其管理权也属于STScI;哈勃的另一个继任者韦伯空间望远镜也由STScI管理。


空间望远镜研究所在介绍其历史发展时,将NASA的建立与罗曼被任命为NASA的第一位首席天文学家作为重要事件列入 | 来源:STScI


因此,与其说STScI是天文学家与NASA斗争的产物,还不如说它是两股力量相爱相杀之后的珍贵结晶。因为罗曼在NASA的20年时间中对空间天文学的关键作用,她始终深受所有知道她的人的尊重——即使有些人恨她,也是爱恨交加。


曾经担任STScI所长的罗伯特·威廉姆斯(Robert Williams,1940-)在2018年10月发表的文章《哈勃深场与遥远宇宙》中评价罗曼:“作为NASA的领导者之一,她的远见塑造了几十年的美国空间天文学。”


提前退休,投身教育


就在罗曼的事业如日中天的时候,她突然于1979年宣布退休,当时她54岁,已经入职NASA大约20年。罗曼提前退休的部分原因是为了回马里兰州照顾年迈的母亲(她的母亲后来于1992年逝世)


此后,除了参与选择空间望远镜研究所的咨询工作,以及1995年~1997年间短暂地在NASA的戈达德飞行中心领导天文数据中心之外,罗曼不再与NASA的工作有关联。


2017年,乐高(LEGO)公司推出一个人像作品系列,主题是NASA的女性,罗曼自然位列其中。在乐高的罗曼人像作品中,罗曼旁边是哈勃空间望远镜的模型,以强调她在哈勃项目中的作用。


乐高于2017年推出的“NASA女性”系列作品中的罗曼 | 来源:LEGO


罗曼终生未婚,虽然没有孩子,但她喜欢小孩。1997年之后,罗曼去中学教了3年书,其中有一部分时间在落后地区“支教”。她热心地向孩子们,特别是女生,讲述自己的一生,讲述从事科学的益处。她特别注意引导女孩走上科学的道路。


这位被许多天文学家视为灭绝师太的女子实际上有一颗柔软的心:在她的晚年,她用10年时间为那些盲人与阅读困难者录制天文教科书,让这些人也能学习天文知识。


2018年的圣诞节,罗曼因病逝世,享年93岁。为了纪念这位传奇人物,2020年5月20日,NASA将WFIRST改名为“罗曼空间望远镜”。


正如NASA负责科学的副局长Thomas Zurbuchen所说:“她的姓名值得在她所研究与揭秘的天空中拥有一席之地。”(Her name deserves a place in the heavens she studied and opened for so many.)


本文来自微信公众号:返朴(ID:fanpu2019),作者:王善钦

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