理工女故事 | 阅读宇宙大图景的女天文学家

本文转载自《赛先生》（微信号：iscientists）。饶毅、鲁白、谢宇三位学者创办的《赛先生》——与科学同行，关注科学与文化。

Sandra faber

图：Sandra在上海的公众报告现场同孩子们在一起。

文/ 左文文（中国科学院上海天文台）

5月11日，上海天文台。光线明亮的会议室内，一群年轻人围坐在长方形会议桌旁，视线的焦点是一位头发花白的优雅女士。

她正是著名女天文学家珊德拉·法贝尔（Sandra Faber），在热爱天文的年轻人心中，Sandra是毫无争议的偶像。年轻学者们很高兴获得了与这位天文界“大咖”直接交流的机会。

前不久获得中科院杰出国际科学家院长奖金的Sandra，这是第7次来到中国。此行，她将在中国五大城市参观指导10余个不同的研究所，做多场学术报告和公众报告。

Sandra对此次中国行充满期待，她相信最好的沟通方式就是彼此面对面地交流。无疑，这也是中国公众深入了解这位传奇女天文学家的难得机会。

“想知道星系从哪里来”

在众多天文基础研究领域，Sandra都做出了重大发现，例如对于椭圆星系、冷暗物质、由超星系团和星系造成的引力扰动等问题的研究。天文人耳熟能详的、非常经典和基本的、描述椭圆星系的光度与其中恒星的速度弥散之间的经验关系——“Faber-Jackson关系”中的“Faber”便是她。她是利用哈勃望远镜进行CANDLES巡天观测计划[注1]的首席科学家；也是致力于利用哈勃望远镜寻找星系中心黑洞的Nuker团队[注2]的第一任首席科学家；还曾是发现“超引源”质量聚集中心的“七武士团队”领导。

在望远镜和天文科学仪器设计方面，Sandra同样是权威人士。她是诊断哈勃望远镜曾出现的“近视眼”问题的三位科学家之一；是目前世界最大光学/近红外望远镜“凯克”望远镜背后的科学顾问；曾负责凯克望远镜河外深空成像多目标光谱仪（Deep Extragalactic Imaging Multi-Object Spectrograph; DEIMOS）的设计与建设。目前，她正在参与三十米望远镜（Thirty Meter Telescope; TMT）的广域多目标光学光谱仪（Wide Field Optical Spectrometer; WFOS，又名MOBIE）的设计与建设。

因为其杰出贡献，Sandra被授予天文学领域内几乎所有的重要奖项：1985年获德尼·海内门天文物理奖，并当选为美国科学院院士；2001年当选为美国哲学会会士；2006年获哈佛百年奖；2009年获得富兰克林研究所的鲍尔奖和科学成就奖；2012年获太平洋天文学会布鲁斯奖章和德国天文学会卡尔·史瓦西奖章；2013年获得由美国总统奥巴马颁发的美国科学家最高荣誉——国家科学奖章。

Sandra取得的卓越成就，似乎得益于其稳步前行的职业生涯。

1944年12月28日，Sandra出生于美国马萨诸塞州波士顿，1966年毕业于美国Swarthmore学院，1972年获美国哈佛大学天文学博士学位，随后在美国加州大学圣克鲁兹兹分校工作至今。2005年至2011年，她担任美国加州大学圣克鲁兹分校天文学与天体物理学系主任；2012年至2014年任美国加州大学天文台台长。

旁人眼中，Sandra走过的每一步，好像都经过了精心的逻辑设计和安排。可是，Sandra自己却不这样认为：“从来就没有一个所谓的计划。”

“我确实有一种远景设想，我一直都想知道星系从哪里来。我可能就是根据这个远景设想来组织自己的职业发展。我从研究近邻星系入手。我羡慕那些可以用200英寸望远镜观测更遥远星系的人，这就激励我去建造更大的望远镜。然后我们就有了一个更大的望远镜——凯克望远镜。可是仅有一个大望远镜，却没有好的仪器，仍然无法做出好的科学成果。问题促使我想建造DEIMOS光谱仪。利用地面上的望远镜无法让我得到更高分辨率[注3]的照片，于是我参与了Hubble空间望远镜项目。”Sandra说，“其实就是这些我曾想到的点滴事件，推动着我在解决科学问题的道路上前进。”

在上海天文台的对话现场，Sandra讲到这里，环顾身边的年轻人，意味深长地点头说道：“这是给你们的建议。心怀大志，抓住能让你靠近目标的机遇。有必要的话，创造一些机遇，运用一点策略，做一些计划。”

Sandra的远大志向是“想知道星系从哪里来”，但她也认为，“心中的目标不一定是非常明确的一个科学问题，可以是任何能让你兴奋激动的目标。我欣赏任何能为我们的科学做出贡献的人，我欣赏那些构建理论模型的人，我欣赏那些写出有效程序的人，写出设备操控软件的人，主管设备项目运营的人，写科学论文的人，做出精彩报告的人。他们都很重要。”

发现“Faber-Jackson关系”

为了逐步靠近心中的目标，Sandra需要在她的天文征途中解决一些大事。

1972年，Sandra博士毕业。在美国，天体物理的博士生毕业之后，无需继续做一到两期博士后，就可以获得大学教职的人可谓屈指可数。Sandra正是最后一批实现这一不可能“任务”的人之一。毕业后，她就职于加州大学圣克鲁兹分校（UCSC），成为助理教授。

进入UCSC之后，Sandra与利克天文台的一架3米望远镜——唐纳德·肖恩（C. Donald Shane）望远镜[注4]建立起了良好的合作关系。尽管在上世纪70年代，这架3米望远镜并非世界上最大的望远镜，但它安装了第一个电子聚焦器，允许观测者通过电视摄像机找到目标天体和进行导星，除此之外，它拥有当时世界上最好的安装了高灵敏度电子接收器的光谱仪。

利用这架3米级望远镜，Sandra和合作伙伴Robert Earl Jackson共同发现“Faber-Jackson关系”，结果发表在1976年的《天体物理期刊》上。这不过是她收获科研成果的开始。随后，Sandra没有停止对“想知道星系是怎么来的”这一梦想的追寻，继续系统地一步步展开研究。

她开始对椭圆星系中的恒星星族构成感兴趣，希望对更多的椭圆星系拍摄光谱。她希望知道，椭圆星系中是否含有中性气体，而在那个年代，美国国家射电天文台的绿岸望远镜（Green Bank Telescope; GBT）是观测中性气体的重要工具。于是，Sandra便申请使用GBT对椭圆星系进行射电观测，并第一次为椭圆星系的中性气体含量设定了下限，表明大部分椭圆星系不含有中性冷气体。

“我将向你们证明这一点”

在科学生涯的一开始，Sandra便意识到开放思维的重要性，她积极与其他领域的同行进行交流。而这也的确碰撞出极有价值的想法。

1977年，在UCSC召开的一次工作会议上，来自一位同行的话让Sandra深受启发，也由此拉开了她职业生涯中另一项重要工作的序幕。

“一位天文同行一直试图将我们的唐纳德·肖恩望远镜从圣何塞转移到一个更适宜天文观测的区域。这样的搬动并不会花费很多资金，但我们当时无法找到资金支持。”Sandra回忆。此时，另一位天文同行Joseph Wampler提议：“也许我们可以建造一个10米望远镜。”

Sandra清晰地记得，1977年春季的一天，在UCSC自然科学大楼的190室，来自不同领域的专家围坐在一起，对建造大望远镜的计划展开了激烈讨论。

在座的专家都知道，建造10米望远镜将会花费更多的钱。不过有趣的是，后来的事实表明，Joseph的提议有一定道理，他们申请到了资金去建造一个10米级望远镜，却无法获取资金支持来搬运一个3米级望远镜。

让Sandra记忆犹新的是，当时坐在她身边的一位杰出的老天文学家对她说：“10米望远镜？在帕洛玛山上不是已经有一个5米望远镜了吗？10米和5米有什么大不同吗？”在Sandra看来，这句疑虑是在当时的情况下发表的最好评论。

那位老天文学家说：“你将必须做这样一件事——说明为什么10米比5米更重要。”

“我将此当作自己的使命，这句评论点燃了我的斗志。”那一刻，Sandra对自己说：“我将向你们证明这一点。”

10米级的望远镜究竟比5米的望远镜重要在哪？会议结束之后，Sandra始终对天文前辈的提问念念不忘。她开始尝试去回答这一问题。

“虽然我经历过研究生教育，但那时我才突然意识到，自己对信噪比所知甚少。在此之前，我所关心的几乎是明亮的天体，唯一需要担心的是光子统计，我不需要解决任何关于探测噪声的问题，我对视宁度[注5]的了解也少得可怜。”Sandra在采访中笑着说，她一开始就遇到了不小的困难。“所以我便开始读文章，学习关于如何计算天文观测中的信噪比等基础知识。然后我意识到视宁度很重要，就和望远镜的口径一样重要。我了解到，视宁度提升2倍与望远镜口径增大2倍一样重要。”

最终，Sandra成功证明了建造一个10米望远镜，不仅可以在口径上增大，还可以通过为望远镜选择合适地址，使视宁度提升：当望远镜的口径变成了原来的2倍，收集光子的区域面积增大为4倍，空间分辨率提升为原来的2倍；而且如果视宁度也提升为原来的2倍，那么得到同样信噪比的信号，望远镜收集光子的速度就可以提升为原来的16倍；如果观测点源，那么探测的极限星等将更暗1.5等。

结缘凯克望远镜

在获取这些信息之后，Sandra并没有浅尝辄止，而是引申思考起如果10米级望远镜建造好了，可以研究怎样的科学问题。

建立10米级口径望远镜的想法让天文学家们感到兴奋。伯克利的天文学家提议，不如再开一次会，具体讨论这个想法。随后不久，距离UCSC 100英里外的伯克利，天文学家们再次聚集起来。

去参加伯克利会议之前，Sandra整理好一份书面文件，记录了如何计算信噪比等技术参数的细节，以及新望远镜可研究的10个有潜力的科学项目。带着这份文件，她期待与同行们交流这些内容。

“不知不觉，这次会议之后，不少人愿意就大望远镜的各种项目与我讨论，听取我的意见，或者带着一些科学想法来找我，然后对我说，‘能帮我算一下吗？’”Sandra稍微停顿了一下，“说到这里，我想给大家一个建议。当你有机会去参加会议，记得带上一些写好的资料。另一个建议，注意发掘你的领域中还有哪些空白区域——很可能是重要的区域。发现之后，记住为之做一些事。”

上述两次会议，算得上是Sandra与凯克望远镜结缘的历史性起点，也奠定了她后来成为凯克望远镜科学顾问的基础。历时16年，直到1992年，凯克望远镜终于建成并拍得第一张天文照片（天文学家称之为“首光”）

当被问及凯克望远镜项目实施过程中最大的难点是什么，Sandra认为，是项目所需资金的筹集过程比较耗时。“1977年想法被提出，直到1986年我们才筹措到足够的资金，开始了望远镜的建造。1986年至1992年，天文台的大部分建造得以完成。”

关于凯克望远镜的光谱仪器之一——DEIMOS光谱仪，Sandra补充道，“有了现在的DEIMOS光谱仪，我们再也不用一次只能获得单个天体的光谱，而是单次能同时获得130个光谱，甚至对于某些项目，如果我们正确使用DEIMOS光谱仪，使其处在’超级模式’，将可以获得成百上千的天体光谱。”

诊断哈勃“近视眼”

Sandra职业生涯中的另一项“大事件”，是成为哈勃望远镜诊断“近视眼”问题的三大科学家之一。

哈勃空间望远镜是以天文学家埃德温·哈勃（Edwin Hubble）命名的太空空间望远镜，主镜口径2.4米。1990年，哈勃望远镜发射至地球大气之外的近地轨道，至今仍正常运行。由于哈勃望远镜位于地球大气之外，其分辨率是理论上预测的衍射极限；且其观测对象不仅包括光学波段光，还包括地球大气会严重吸收的紫外波段和近红外波段光。

早在1923年，空间望远镜的概念就已被提出，但直到上世纪70年代，哈勃望远镜才获得资金支持。随后的项目实施过程并非一帆风顺，因技术问题、资金问题以及“挑战者号”灾难事件等被延迟，终于在1990年成功发射入轨。

哈勃望远镜第一次升空时共携带5个科学设备，分别是计划用于光学观测的高分辨率照相机——广域和行星照相机（the Wide Field and Planetary Camera; WFPC-1）,由戈达德太空中心制造的用于紫外波段的光谱仪——戈达德高分辨率光谱仪（Goddard High Resolution Spectrograph; GHRS），能在紫外线和可见光波段上快速测量天体的光度变化的高速光度计（High Speed Photometer; HSP），暗天体照相机（Faint Object Camera; FOC）和暗天体摄谱仪(the Faint Object Spectrograph；FOS）。

可是，当天文学家们看到它拍摄的第一张照片时，发现获得的最佳图像质量也远低于设计时的期望。

Sandra是最早致力于使用哈勃望远镜做科学研究的天文学家之一，她当时是WFPC-1相机团队中的成员。她和另外两位同伴承担着找到问题以及寻求解决方法的重任。经过进一步分析，他们确认问题在于研磨成的主镜的形状被磨错了——主镜的外围过于平坦，与规定需要的位置只差了2.2微米，这个差别造成了灾难性的球面像差，从而来自镜面边缘的反射光与来自中央的反射光聚集在相同的焦点上。

基于这三位天文学家的诊断，科研人员们想到了可以为哈勃望远镜配上一副能改正球面相差的眼镜，通过设计一个具有相同球面像差但作用相反的光学系统，来抵消掉原主镜形状导致的球面像差。

在1993年对哈勃的第一次维护中，宇航员进行了精密作业，将WFPC-1替换成内部已添加光学系统的WFPC-2，而对于其它的科学仪器，HSP被移除，在其原来的位置上替换成用来改正球面像差的空间望远镜光轴补偿校正光学系统（the Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement system; COSTAR）。

做一名“幸运”的女性科学家

作为一名女性，Sandra在天文学领域的成功似乎显得更为不易。在她刚刚步入这一领域时，美国的女性天文学家同样寥寥无几。在Sandra看来，个性对她们的成长影响深远。

“如果一位女性太咄咄逼人，人们不喜欢她；如果她太腼腆，对于其学术发展也不利，因为腼腆传递的信息好像是不自信和没有好的学术想法。”Sandra说她很幸运，自己的个性处于两者之间。

对于家庭与事业的平衡，Sandra表示她要为小自己一岁的丈夫点赞。

当Sandra已经在UCSC拿到长期职位时，她的丈夫才刚从法律学校毕业，马上步入职场。他们试图移居到一个更适合她丈夫事业发展的地方，但Sandra并没有收到任何来自于那个城市的研究机构或大学的接收函，最终他的丈夫做出了妥协。他支持Sandra继续在UCSC工作，而自己则在并非法律相关中心区域的圣何塞找到了工作。

“我非常幸运，有我的丈夫给予我支持。”Sandra和丈夫育有两个女儿，与大多数女性学者一样，她也必然会经历既要照顾孩子，又要拼搏科研事业的阶段。除了丈夫对她事业的默默支持，Sandra度过那个困难时期的办法还有一条：集中精力提高工作效率。

注释：

CANDELS巡天计划：作为历史上哈勃最大的科学项目，河外星系近红外深空巡天（the Cosmic Assembly Near-infrared Deep Extragalactic Legacy Survey; CANDELS），利用哈勃太空望远镜的两个功能强大的相机——近红外波段广域照相机（Wide Field Camera/Infra-Red; WFC3/IR）和ACS，拍摄遥远河外星系的照片，探索早期宇宙中星系的演化以及在宇宙大爆炸之后不到10亿年间的第一代宇宙结构种子；寻找90多亿年前的Ia型超新星，检验暗能量的存在与否。近红外广域照相机（Wide Field Camera/Infra-Red; WFC3/IR）是2009年开展的对哈勃的第五次维护（维护任务4）中新增的科学仪器；先进巡天照相机（Advance Camera for Survey; ACS）是2002年开展的对哈勃的第四次维护（维护任务3B）中将原来的FOC替换掉的科学仪器。
Nuker团队：1985年，为了充分利用哈勃空间望远镜拍摄的高空间分辨率图像和光谱，研究普通星系的中心黑洞以及星系动力学，当时还是博士后的Tod R. Lauer号召成立一个团队。6月份在普林斯顿召开了他们的第一次会议，Sandra被推选称为团队领导。起初团队中只有6名成员，包括倡议者Tod R. Lauer和第一任团队领导Sandra。后来的团队中还包括了本文中出现的北京大学科维理天文与天体物理研究所所长Luis Ho教授和其他8位著名天文学家。团组名称“Nuker”其实源于起初团组成员之间的相互称谓。因为他们的主要研究内容是普通星系的核心，核心的英文是nuclei。据说第一次使用Nuker这个称呼的是Sandra。1989年，Sandra在群发给其他5位成员的邮件中写道：“亲爱的Nukers”（一般来说在英文中，在一个动词或名词之后加上“er”构成的新词，表示做这个动作的人，例如work表示工作，worker表示工人）。
分辨率：望远镜分辨两个临近点源的能力。分辨率受大气扰动和望远镜本身参数所影响。在没有大气扰动的情况下，望远镜所能分辨的两个临近点源之间最小空间距离将可以达到理论上的衍射极限，与望远镜口径成反比；即当望远镜口径增大为2倍，其衍射极限对应的空间尺寸减小为原来的一般，分辨率增大为原来的2倍。
唐纳德·肖恩望远镜（C. Donald Shane telescope）：一架口径为3米的反射式望远镜，位于加州圣何塞的利克天文台。1944年开始建造，1959年投入使用，并拍摄了它一生中的第一张照片（天文学中称为“first light”，译为“首光”）。1978年，它以天文学家C. Donald Shane命名，以纪念C. Donald Shane为该望远镜的建成所做出的巨大贡献。在建成之时，它堪称世界上第二大的望远镜，紧随帕洛玛天文台的海尔200英寸（5.1米）望远镜之后。值得一提的是，它也是后来第一个被配置自适应光学系统的望远镜。
视宁度：指望远镜显示图像的清晰度，它受地球大气湍流的影响。望远镜所观测到的图像中点源的角半径越大，表明其视宁度越差。

本文为《赛先生》（微信号：iscientists）原创，版权及其他合法权利均归原作者及平台所有。欢迎个人转发分享，刊物和机构如需转载，请联系授权事宜：iscientists@126.com