安德烈·盖茨，2020年诺贝尔物理学奖获得者，是诺贝尔物理学奖历史上第四位女性获奖者。自1995年以来，她一直致力于探索黑洞的研究，现在她仍然战斗在第一线。除了对物理的热爱、对黑洞的好奇和坚持不懈的观察，她成功的关键还在于使用了最新的技术手段。盖茨一直把科学作为女性的榜样，希望更多的女孩加入这个领域。

作者|刘馨蔚

2020年诺贝尔物理学奖授予了洛杉矶加州大学的天文学家安德里亚·盖茨。她是继居里夫人、迈耶和唐娜·斯特里克兰之后第四位获得这一荣誉的女科学家。在天文学领域，有许多杰出的女科学家，与其他科学和工程学科相比，女性在天文学研究方面有着悠久的历史。200多年前，彗星猎人卡罗琳·赫歇尔成为第一位获得官方职位的英国女性，因为她在彗星发现和分类方面的工作。现在，银河探险家盖茨成为诺贝尔奖历史上第一位女天文学家，因为他发现了银河系中心的超大质量致密天体。

安德里亚·盖茨来源:埃琳娜·朱科娃/加州大学

我将是第一个登上月球的女孩

盖茨在赢得美国登月竞赛时度过了童年。当她4岁的时候，当她看到阿波罗11号成功登陆月球时，她被深深地震撼了。盖茨仍然深深记得他的豪言壮语:“我向妈妈宣布，我将成为第一个登上月球的女孩！”开明的父母尊重她的想法。他们总是鼓励盖茨追求他感兴趣的任何东西，并给她买了一架望远镜。然而，这种兴趣并没有持续多久，老工业城市芝加哥早早地将未来的女宇航员扼杀在摇篮里。但是观星的种子还埋在她心里，只是当时她并不知道。

孩子的兴趣总是会变的。上完舞蹈课后，盖茨决定将来成为一名芭蕾舞演员，但他对舞蹈的热情抵挡不住数学的诱惑。盖茨还记得自己高中时贴在班级墙上的一篇文章，说科学研究表明男生数学比女生好——现在我们还能听到这样的谬误噪音。盖茨当时表示不满，她在数学课上挑战男生。至于谁赢了，盖茨笑着说:“我做得很好。”

除了数学题，盖茨还喜欢玩拼图之类的益智游戏，看一些侦探小说，然后晚上想更深刻的问题——宇宙的尽头在哪里？为了找到答案，她决定走科学之路。后来，盖茨回忆说，是高中化学老师朱迪思·基恩支持她在高中学习科学，因为她是学生时代唯一一位教授科学课程的女老师。盖茨认为，在男性主导的领域，她所在的地方，她已经解释了一切。得知盖茨获得诺贝尔奖后，朱迪思·基恩在接受采访时表示，“她是一个优秀的学生，教出这样一个特殊的学生是老师的梦想。”

20世纪90年代，盖茨在芝加哥阿德勒天文馆发表演讲，并与老师朱迪思·基恩合影。来源:news.uchicago.edu/

1987年，盖茨进入麻省理工学院。当她发现物理可以帮助她找到最终答案时，她果断地换了专业。“我热爱数学。我先是主修数学，然后转到物理。”在大学期间，盖茨为一名天文学家工作。于是，她被技术氛围所吸引，第一次来到天文台求助时点燃了好奇心。无论是硬件维护还是软件编写，她都渴望学习。当她发现来自宇宙深处的X射线空包含天体秘密时，她想到了一个想法，一些辐射源可能是黑洞——她似乎找到了她一生想要的东西。盖茨回忆说:“我完全被黑洞迷住了，我爱上了这个职业。”

事实上，在盖茨大学期间，天文学家已经观察到黑洞存在的证据，但远未得到证实。盖茨有机会成为第一个确认银河系中心存在超大质量黑洞的女科学家，现在我们知道她做到了。

使用尖端技术

1987年毕业后，盖茨去加州理工学院攻读博士学位，因为那里有最适合她的“玩具”。当时世界上最大的望远镜之一是位于帕洛马山天文台的5号米歇尔望远镜。然而，有一个小玩具更让她着迷——斑点成像。

在2013年接受《自然》采访时，盖茨透露自己是一名技术控制者。“我喜欢冒险，尝试新技术。它可能不起作用，但它可能会打开一扇了解宇宙的新窗口，并回答一些你甚至不知道要问的问题。”斑点成像在当时并不是一项新技术，但应该在新的场景中使用。

望远镜分辨率的理论极限受其孔径限制，光的衍射会导致形成一个圆形光斑，即艾里光斑。但由于大气湍流的干扰，单个艾里斑会变成一系列的“散斑”，实际上是一系列相干波前相互干扰产生的图像，使得望远镜分辨率达不到理论极限，尤其是对于拍摄遥远的恒星，图像非常模糊。

其实早在牛顿时代，学者们就注意到了散斑现象，牛顿提出了为什么恒星的闪烁现象可以观察到，而行星的类似现象却无法观察到。现在人们知道这是由光的空之间的不同相干性引起的。然而，自20世纪60年代激光诞生以来，激光散斑受到了人们的关注，并出现了新的应用。物理学家发现散斑可以作为图像处理的信息载体，通过傅里叶变换可以重构原始图像。在天文观测中，天文学家利用散斑来提高分辨率。

双子座天文台阿洛佩克宽视场成像仪对木星成像的比较。左图为视敏度效果的极限效果，右图为散斑成像后的效果。来源:今日物理

在盖茨读书时期，可见光波段散斑成像技术的应用已经非常成熟。在很短的时间内通过曝光拍摄了大量的照片，选择一些效果最好的图像进行位移叠加和平均，得到最佳图像，从中提取信息。但是这种方法在当时也有明显的缺点，只能用于明亮的天体，在计算机不发达的时候效率不高。随着20世纪90年代末电子倍增器CCD相机引入天文学，观测暗天体的能力大大提高，散斑成像再次获得生命力。

盖茨加入了一个小组，他们正在开发一种基于红外线的斑点成像技术，以检测被星际尘埃覆盖的活动星系核发出的红外线，例如螺旋星系和椭圆星系中心，天文学家认为那里可能存在黑洞。盖茨负责编写图像分析软件，使设备具有尽可能高的分辨率。不幸的是，最初的尝试没有成功。她没有看到活动星系的中心，所以她的博士论文不得不转向另一个目标，也是一个明亮的天体——银河系的新生恒星。

盖茨早期的研究生涯集中在恒星形成的问题上。天文学家认为，恒星诞生于星际气体和分子云密集的区域，云核坍缩形成恒星。但是银河系中有大量的双星系统，而围绕着彼此的恒星又是如何形成的呢？它们是分开形成后以某种方式接近，还是天生如此？盖茨利用她之前在散斑成像方面的经验对金牛座t进行了观察，以更好的分辨率，她在这一区域发现了许多婴儿恒星，它们以双星的形式存在，如此年轻且彼此靠近，这意味着双星系统可能是成对形成的。这对天文学家寻找系外行星有重要影响，因为行星被认为很难在双星系统的复杂引力场中形成。

机遇和风险并存。如果要总结盖茨的成功，正是她对数学物理的执着热爱和好奇心，促使她使用最先进的技术，这将是未来做出更大发现的关键——确认银河系中的超大质量黑洞。

目标:银河系的中心

盖茨在1992年获得博士学位，然后去亚利桑那大学做了两年博士后，然后加入了加州大学洛杉矶分校。这时，她有机会使用一架更大的望远镜——夏威夷莫纳基亚山唐珂天文台的10米望远镜。根据盖茨的说法，“望远镜越大意味着我们看到的细节越多，也许我们可以更清楚地看到银河系的中心。凯克望远镜是我成功研究银河系中心黑洞的关键。”

凯克天文台由两台10米望远镜组成。来源:Laurie Hatch/lauriehatch.com。

银河中心的故事由来已久。一百年前，美国天文学家沙普利首次确定银河系的中心在人马座。1931年，美国工程师卡尔·扬斯基用自己的“旋转木马”发现了来自银河系中心射手座的无线电信号，这是第一个来自地球之外的无线电信号，从而创造了射电天文学，扬斯基成为了射电天文学之父。然而，科学家们一直不清楚信号的确切位置。1971年，英国理论天体物理学家唐纳德·林登伯格和马丁·里斯首次提出，银河系中心应该有一个黑洞作为能源供应。因为被气体和尘埃阻挡，光信号很难到达地球。他们建议用无线电干涉测量法进行搜索。1974年，美国天文学家布鲁斯·巴里克和罗伯特·布朗通过国家射电天文台在银河系中心发现了一个射线源，这个射线源距离地球约2.6万光年，远超普通恒星发出的无线电波，后来被称为射手座A*。那么它是黑洞吗？

盖兹团队拍下的银河系中心图像。Sgr A*这一名字由罗伯特·布朗1982年提出，Sgr是人马座Sagittarius的缩写，A代表致密射电源，后来他加上了星号以跟其他射电源区分。因为他想起自己博士论文中原子激发态的表述是用星号，就随手一加。这一名字后来被普遍接受。丨图源：UCLA Galactic Center Group 盖茨团队拍摄的银河系中心的图像。Sgr A*这个名字是由罗伯特·布朗在1982年提出的。Sgr是射手座的缩写，A代表紧凑型射电源。后来，他添加了一个星号，以区别于其他无线电来源。因为他记得他的博士论文中原子的激发态是用星号表示的，所以他随意加上了星号。这个名字后来被普遍接受。来源:加州大学洛杉矶分校银河中心集团

20世纪90年代，有两个团队加入了Sgr A*的研究，其中一个是盖茨领导的团队。在没有引力波探测的时代，我们只能通过间接的观测手段来了解黑洞，比如探测黑洞吸积爆发发出的辐射，跟踪黑洞周围周围恒星的运动。后者由盖茨团队使用。通过观察周围恒星的轨道和周期，我们可以计算出中心天体的质量，尤其是离中心最近的天体将决定中心物质质量的上限。

凯克天文台台长希尔顿·刘易斯回忆说，盖茨当时向他提出了一个艰难的要求——修改测试过的软件，以应用未经验证的技术。盖茨想在散斑成像技术中加入望远镜的红外摄像头。起初，刘易斯只是简单地说“没门”，但在盖茨的坚持下，他也做出了让步，最终同意了。他说，“这种冒险的决心和意愿一直是安德里亚的特点。”

从1995年开始，盖茨和她的团队开始追踪围绕Sgr A*的天体。当她第二次去观察时，她发现照片显示明星们换了位置，她和她的团队非常兴奋。1998年，盖茨团队用凯克望远镜对比了Sgr A*区域的散斑成像数据，中心区域的精度提高了4倍。当时，他们计算出银河系中心的黑洞是太阳质量的260万倍。

如果只通过直接观察恒星的运动，天文学家只能得到二维平面上的运动。为了了解恒星靠近或远离地球的运动，即观测径向速度，天文学家会通过观测恒星光谱波长的变化来进行计算。这需要测量大量的光，尤其是暗星。为此，盖茨等人为凯克望远镜开发了自适应光学系统。

AO系统示意图。激光系统发出的光可以作为人工引导星来感知大气变化。激光产生的亮点图像可以进入快速变形的二次镜。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变形，有效校正了科学图像中的大气湍流。来源:国际金融公司关于2020年诺贝尔物理学奖的科学背景

自适应光学是一种校正动态光学波前误差的技术，早在20世纪50年代就提出来补偿大气对天文观测的干扰。后来，这项技术在美国“星球大战”计划下得到大力发展，并被用在间谍卫星上——大气层在中间，无论是看天空还是看地球都是一个障碍。随着技术的解密，天文学家有机会使用这种“黑科技”。

凯克望远镜制作的激光引导星。AO和散斑成像的结合将获得高精度的图像。来源:伊森·特威迪摄影/伊森·威迪。com。

盖茨说，气氛就像游乐园里的一面镜子。本来星空的图像是扭曲的，所以我们要做一个形状相反的镜子来抵消扭曲的效果。作为最早的AO用户之一，盖茨开发了一个程序，使图像比以前清晰20倍。每年他们都会拍摄恒星的照片，最终发现轨道的秘密。

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 银河系中心开合自适应光学系统对比图来源:UCLA银河中心群

2002年，盖茨团队将散斑成像和AO计算相结合，得到了一颗恒星绕Sgr A*的完整轨道，被他们命名为S0-2。S0-2的轨道周期不到16年，速度高达每秒5000公里，距离中心最近的距离只有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*大约是太阳质量的400万倍。在如此小的范围内有如此巨大的质量。“这是黑洞存在的证据。我们别无选择。”盖茨说。

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 盖茨团队模拟了恒星围绕Sgr A*的运动轨迹，其中S0-2获得了完整的轨道。来源:凯克/UCL银河中心集团

25年的竞争之路

在前进的道路上，盖茨一直有一个“宿敌”——他就是今年一起获奖的德国天文学家莱因哈特·根塞尔。根塞尔是盖茨的前任。从1992年开始，他就用智利欧洲南方天文台的新技术望远镜跟踪了恒星S0-2，获得的轨道周期数据比盖茨团队早了几个月，因此他应该是第一个证明银河系中心存在超大质量黑洞的人。Gensel团队和Gates团队的独立结论高度一致。其实Gensel团队用的名字是S2，到目前为止两个团队还没有统一名字。

赖因哈德·根塞尔。甘塞尔学生时代是德国最好的标枪运动员。后来，他学完物理走上了科学之路。资料来源:全国广播公司

盖茨把她的力量放在了与学校男生竞争黑洞观测上。2005年，盖茨团队首次在激光引导下拍摄了AO星系中心的第一张照片。2008年，Gensel团队首次获得了完整的S2轨道观测数据，与理论预测完全吻合。2008年，只有根塞尔获得了润·邵逸夫天堂文学奖，而盖茨在同年获得了麦克阿瑟“天才奖”。2012年，盖茨团队发现了比S2更靠近中心的恒星S0-102，其轨道周期只有11.5年。这颗恒星的发现将对天文学家了解极端条件下的天体物理过程，特别是通过引力红移检验广义相对论起到重要作用。但是现有的观测能力有限，所以他们把目标放在S0-2上。

凯克天文台模拟的黑洞周围恒星的三维动画。蓝绿色代表年轻的恒星，橙色代表年老的恒星，洋红色代表未知的恒星。视频来源:伊利诺伊大学NCSA高级可视化实验室。

2018年5月，S0-2经过离黑洞最近的一点，Gensel团队精确测量了其光谱引力红移，发现符合广义相对论的预言，这也是广义相对论首次在超大质量黑洞附近被成功验证。盖茨团队也不甘示弱。2019年，他们发布了更全面的测试结果。除了广义相对论描述的时间空弯曲外，还有很多其他因素导致红移，因此需要在多个位置进行观测。测量S0-2光谱红移有三个关键节点，分别是最大速度点、最小速度点和离黑洞最近的点。真正有意义的引力红移数据取决于S0-2在几个关键位置的光谱红移差异和S0-2的精确轨道参数。盖茨团队结合过去22年的观测数据，观测了三个关键位置，再次证明了爱因斯坦的伟大理论。

S0-2绕黑洞运动轨迹的艺术地图，当它再次接近黑洞时会发生引力红移。资料来源:ESO/M. Kornmesser

当然，两队也会对未解现象提出不同的看法。例如，2011年，Gensel团队发现在Sgr A*附近高速运动的致密气体云正在坠入黑洞，由于巨大的引力，黑洞呈“面条状”，并预测它将在2013年到达离黑洞最近的距离，并被完全吞噬，爆发出强烈的X射线。但是后来天文学家没有发现任何剧烈的过程。2014年，盖茨团队的观测结果显示，G2在接近黑洞时呈现潮汐作用，运动模型与开普勒轨道模型一致。他们认为G2的中心隐藏着一颗恒星，它是由双星合并而成的。然而，盖茨的结论只是一个理论猜想，到底什么是不温不火的G2仍然没有定论。

在科学史上，相互竞争是很常见的，但像盖茨和根塞尔这样的对手一起获奖可能很少。2012年，瑞典皇家科学院将被称为诺贝尔天文学奖的克里福德奖授予两人，盖茨也是该奖项历史上第一位女性获奖者。现在他一起获得了诺贝尔物理学奖。在新闻发布会后的采访中，盖茨说:“没有什么比竞争更能让人前进了！”他们似乎还有很长的路要走。就在今年早些时候，盖茨团队发表了一篇论文，他们在Sgr A*周围发现了几个类似G2的奇怪物体。他们现在还在盯着银河系的中心，也许未来还会有更重要的发现。

在过去的25年里，盖茨追踪了3000多颗恒星，向世界展示了超大质量黑洞存在的最好证据。如果说这是25年磨一剑，那就不得不提一个“磨刀石”——更强大的观测技术。而且，Gensel团队在这方面也没有给予太多。尽管他们不是真正的“磨刀石”制造商，但他们独立开发了适用的散斑成像和AO系统。

盖茨目前是未来30米望远镜科学咨询委员会成员，参与了望远镜主要设备红外成像光谱仪的早期设计。新一代观测设备再次突破极限，发现了黑洞更深层次的奥秘。

30米望远镜主镜艺术地图来源:tmt.org

成为女性的榜样

除了在科研上不断取得突破，盖茨还将大量精力投入到科普事业中，参与公开演讲传播天文知识，经常担任纪录片或电影的科学顾问。她的作品在著名科幻电影《星际穿越》的幕后。“激励大众，培养下一代科学家，通过团队发现与合作打破性别偏见”是她创办的UCLA Galaxy Center团队的三大任务之一，与探索黑洞、推动下一代望远镜及相关技术两大科研任务并列。

对盖茨来说，激励女性投身科学领域是她的使命。在2006年接受美国公共广播公司采访时，她被问及如何鼓励更多的女孩和年轻女性加入科学事业。她回答说:“我认为最重要的是向他们表明，没有什么是不可能的...最好的办法就是给他们树立一个榜样，向他们展示在这些领域有女性。”“我喜欢。令人兴奋。这让我觉得我在做一些真正有意义的事情。”

盖茨自己树立了一个榜样。她要求早在博士阶段就给本科生教授物理课程，只是为了让学生看到女生也能学好物理。最初，博士生不允许给本科生上课。她的导师美国著名红外天文学家格哈特·纽格鲍尔支持她，盖茨也获得了学校教学奖。1995年，她为小学生写了一本书《你可以成为一名女天文学家》。现在盖茨还在教本科生。“这是我有潜力产生最大影响的地方——展示女性可以从事自然科学。”为了宣传自己的学校和系，她还制作了宣传片，展现了一个天文学家的智慧和魅力。

现在，盖茨是第四位获得诺贝尔物理学奖的女科学家。她自信地说:“我很高兴成为年轻女性的榜样。”“我希望我能激励其他年轻女性加入这个领域，这是一个有趣的领域。如果你对科学充满热情，你可以做的事情太多了。”

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