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活著的傳奇：黑洞照片的幕后英雄與拒絕領獎的抗爭者
原創 王善欽 返樸
正如魯賓所說，瑪格麗特用自己的光輝、努力、原創性與優雅迎接挑戰；正如她的女兒薩拉所說，瑪格麗特也許只是希望成為自己所在時代的最好的觀測天文學家之一，但實際上卻成了自己所在時代的最好的天文學家之一。
撰文 | 王善欽
瑪格麗特·伯比奇（Eleanor Margaret Peachey Burbidge，1919-）是20世紀天文學領域的風云人物，也被公認為還活著的最杰出的天文學家之一。在學術生涯前期，她輾轉于不同的大學與天文臺，與合作者完成恒星內部元素合成理論，成為破解星星內部秘密的核心人物之一（參見《百歲天文學家的傳奇人生：她使用望遠鏡與手搖計算機破解了星星的奧秘》）。但她并未止步于此：她繼續研究星系的旋轉曲線，研究類星體的光譜，成為格林尼治天文臺臺長，參與哈勃太空望遠鏡光譜儀研制，帶領團隊發現M87中的黑洞——沒錯，這個黑洞就是去年刷屏的那張人類首次拍攝的黑洞照片里的那個。
星系旋轉曲線與暗物質
在1953到1955年之間，瑪格麗特一方面從觀測與理論兩方面分別研究恒星化學成分與元素產生的具體過程；另一方面，她在1954年讀了一篇涉及星系亮度與星系質量比值的論文，然后立即決定測量“旋渦星系”的旋轉曲線，以確定它們的質量與亮度之比。
在發表名垂青史的恒星元素解密論文的同一年，即1957年，瑪格麗特與丈夫杰弗里·伯比奇都得到芝加哥大學的職位。當時芝加哥大學禁止裙帶關系，夫妻倆不能同時在芝加哥大學擔任教職。因此，杰弗里接受了芝加哥大學的教職，而瑪格麗特成為Shirley Farr學者（博士后，不是教職），二人因此可以同時在芝加哥大學工作。這是瑪格麗特第二次來到芝加哥大學工作。
也正是在1957年，瑪格麗特的女兒薩拉（Sarah Burbidge，1957-）出生。從1957年到1962年，瑪格麗特與杰弗里大部分時間雖然都在芝加哥大學的葉凱士天文臺，但依然會在每年的暑期花一部分時間去帕薩迪納與福勒合作，有時候霍伊爾也會從劍橋大學飛過來與他們一起討論。
在這期間，夫妻倆繼續使用望遠鏡觀測星系和恒星的光譜，用這些譜線來分析星系與恒星的化學成分，并分析星系的旋轉速度。光譜儀將星光分解之后，每個波段上的光都會變暗，為了讓得到的光足夠亮，必須長時間曝光，有些遙遠天體的光譜非常暗淡，需要曝光3到5小時，才可以在底片上得到較好的光譜?，敻覃愄嘏c杰弗里常常在芝加哥寒冷的冬夜長時間站在望遠鏡前，眼睛不離目鏡，持續觀看好幾個小時，以獲取珍貴的光譜。
由于地球在自轉，如果望遠鏡不轉動，就會隨著地球的自轉而迅速偏離目標。因此，必須由電動機帶動望遠鏡逆向轉動，以確保望遠鏡在曝光過程中始終對準目標。在這個過程中，觀測者也必須配合望遠鏡轉動?？傮w上，這樣的觀測比較辛苦。
更痛苦的是一些意想不到的意外。有一次，控制望遠鏡的電動機在運轉過程中卡住了杰弗里的胳膊，幾乎擠斷了他的手臂，瑪格麗特與同事聽到杰弗里的呼喊之后，立即切斷電動機的電源，跑過去拉出杰弗里淤青的手臂。另一次，瑪格麗特在麥克唐納天文臺觀測一個星系時，從3米高的操作臺摔到地面，這差點要了瑪格麗特的命。幸好此時正是冬季，她衣服穿得厚，因此沒有骨折，只是前額割傷，多處淤腫。
從母親那里遺傳下來的堅毅性格與自己對天空的癡迷，讓瑪格麗特堅持到底。當年天文臺附近落下的炮彈都無法使她退卻，寒冷與其他危險更不足以阻擋她的前進。
艱苦的努力，換來了豐碩的成果?，敻覃愄亍⒔芨ダ锱c同事在一些星系的光譜中看到了一些傾斜、彎曲的線，據此計算出星系的旋轉速度與星系內部的質量分布規律。
研究星系旋轉曲線，可以計算出星系內暗物質所占的比例。早在1884年，開爾文勛爵（Lord Kelvin，William Thomson，1824-1907）就首先根據計算指出：銀河系的真實質量比根據亮度計算出的質量大，因此銀河系中存在大量不發光的暗星。他因此成為第一個提出暗物質概念的人。
1933年，茲威基（Fritz Zwicky，1898-1974）在測量“后發星系團”的質量與亮度比時發現，星系團里面絕大部分物質不發光，從而首次發現星系團中有大量暗物質。
幾年后，巴博科克（Horace Welcome Babcock，1912-2003）利用利克天文臺的折射望遠鏡，測量了星系M31外部區域的光譜，計算后發現：M31外部區域的旋轉曲線與此前認為的很不一樣。遺憾的是，他以為要么是一些光被塵埃嚴重吸收，要么是牛頓萬有引力定律不適用于星系外部，而沒有意識到他的工作其實已經證明M31的外部區域存在暗物質。巴博科克的這個重要結果在1939年發表后一直被同行忽視。
瑪格麗特對星系質量與亮度比值的研究針對更多星系。這方面的工作一直持續到1963年。這一年，瑪格麗特“搬家”了。
為了利克天文臺，前往加州大學
在芝加哥大學工作期間（1957-1962）的末期，瑪格麗特曾應邀前往利克天文臺，在那里觀測了幾個月。利克天文臺屬于加州大學，位于加州北部海拔一千多米的哈密頓山上，是世界上第一個高山天文臺，也是“大科學”*的起源地之一。哈密頓山山腳附近就是斯坦福大學與當時尚未成型的硅谷。
*編注：“大科學”（Big Science）是科學界在二戰后提出的新概念，相對于個人或小團體參與的“小科學”而言。大科學研究的特點是投資規模大、多學科交叉、試驗設備昂貴且復雜、研究目標宏大等，如國際空間站計劃、大型強子對撞機計劃（LHC）等。
那時，利克天文臺剛剛組裝了一臺3米口徑的望遠鏡，這個望遠鏡大到足以在圓筒中間放一個籠子，讓天文學家坐在籠子里搞觀測。在此之前，加州理工學院管轄的帕洛瑪天文臺的5米望遠鏡就首先做到了這一點，而且他們可以從容地坐在椅子上，使用5米望遠鏡的人都自豪地稱自己為“籠中人”。
作為對比，當時芝加哥大學管理的麥克唐納天文臺的望遠鏡是2米口徑的，里面無法放籠子，觀測操作很麻煩，而且有時有危險——瑪格麗特就曾經從觀測平臺摔下去，差點摔死。
更麻煩的是，當時德克薩斯大學奧斯汀分校已經開始準備建立自己的天文系，并開始洽談接手麥克唐納天文臺管轄權的事務了。芝加哥大學即將失去麥克唐納天文臺，只剩下葉凱士天文臺。葉凱士天文臺里面最大的望遠鏡是1米口徑的折射望遠鏡，無法與利克天文臺3米口徑的反射望遠鏡抗衡。
為了能長期使用利克天文臺的3米望遠鏡，瑪格麗特決定去掌管著利克天文臺的加州大學。憑借B2FH論文以及自身在天文觀測方面的眾多成果所帶來的榮譽，以及福勒、瑪麗·邁耶 (Maria Mayer，1906—1972) 這兩位后來都獲得諾貝爾獎的權威人物的推薦信，瑪格麗特與杰弗里很容易就拿到了加州大學圣迭戈校區的職位。
令瑪格麗特與杰弗里更愉快的是，加州大學并不禁止夫妻倆同時在加州大學任教職，只要夫妻倆在不同的院系工作，就是允許的，這與當時的芝加哥大學不同。1962年，瑪格麗特與杰弗里分別入職加州大學圣迭戈分校的化學系與物理系?，敻覃愄亟K于可以經常坐進3米口徑望遠鏡中間的籠子里徹夜觀測了。
今天的天文學家早已不用在寒冷的夜晚坐在狹小的籠子里徹夜觀測，觀測助手在圓頂外圈的房間里舒適地吹著暖氣，需要數據的天文學家甚至基本上可以不上山，在遠離天文臺的觀測室與觀測助手遠程溝通，就可以拿到觀測數據。有的望遠鏡則實現了自動化，觀測時望遠鏡圓頂里面與外圈都沒有人，需要數據的天文學家只需要輸入坐標和觀測時間等重要參數，就等著計算機自動安排觀測、傳輸數據。但在瑪格麗特的年代，能夠躲在那樣一個狹窄的籠子里觀測星空，卻是一個觀測天文學家的莫大幸福。
揮一揮衣袖，不帶走一片云彩
在1963年入職加州大學圣迭戈分校之后，瑪格麗特一度繼續研究星系的旋轉曲線。這一年，34歲的薇拉·魯賓（Vera Rubin，1928-2016）恰好也來到了圣迭戈分校，三人因此成為同事，瑪格麗特算是魯賓的前輩。
當時，瑪格麗特本可以繼續研究星系旋轉曲線——如果那樣，以后魯賓的光輝將因此黯淡。但她卻在1963年轉向了另一個領域。她與杰弗里在1964年發表了一篇研究星系M51旋轉曲線的論文，這篇論文可以被視為此前他們在這個領域的工作的收尾，也是這方面的代表作之一。
瑪格麗特的方法后來被魯賓發揚光大。魯賓測定了更多星系的旋轉曲線，然后斷定大部分星系中都包含大量暗物質，她與合作者在70年代寫了多篇論文。1980年，魯賓發表了一篇論述星系旋轉曲線與暗物質的重量級論文，這篇論文引用了瑪格麗特與杰弗里發表于1964年的那篇論文，從中也可以看出瑪格麗特的工作對魯賓的影響。事實上，瑪格麗特的工作是巴博科克與魯賓的工作之間的一個重要過渡?，敻覃愄胤艞壛诉M一步確認星系內暗物質的機會，將這個機會留給了魯賓。她揮一揮衣袖，不帶走一片云彩。
轉向類星體
是什么使瑪格麗特在1963年放棄星系旋轉曲線方面的工作？答案是：類星體。
二戰結束后，射電天文學迅速發展，射電天文學家在天空中發現了大量發出強烈輻射的射電源。當時天文學家為了確認這些射電源的本質，便用光學望遠鏡觀測可能伴隨它們的光學輻射，結果發現有些射電源發出明亮的藍色光。
這些射電源對應的光學輻射的光譜很奇怪，后來有人發現它們的光譜是波長被顯著拉長的光譜。根據波長被拉長的數值，可以計算出它們遠離地球的速度，進而算出它們與地球的距離。
計算表明，這些藍色星體距離地球達到了幾十億光年，但看起來卻依然很亮，這意味著它們的真實亮度遠超過銀河系的總亮度。一個看上去像恒星的物體，何以有這么高的亮度？
這些奇怪的天體在當時就已引起了天文學界的強烈興趣，并且被公認為60年代天文學四大發現之一?，敻覃愄胤Q這些物體為“類似恒星的物體”（ Quasistellar Object），簡稱QSO，這個名詞至今還在被使用。后來有人直接稱它們為“類星體”（quasar）。
瑪格麗特觀測了大量類星體的光譜，發現它們的光譜確實都被顯著拉長了。但她沒有意識到光波被拉長是由于巨大的遠離速度、巨大的距離引起的，所以她沒有發現類星體光譜所蘊含的奧秘。盡管如此，瑪格麗特依然在類星體光譜觀測方面做出了巨大的成就，確認了許多類星體的光譜特征。
瑪格麗特在類星體光譜觀測方面的領先地位至少保持了十幾年甚至二十多年，她在70年代用利克天文臺的3米口徑望遠鏡確認了一個遠到破紀錄的類星體，這個記錄過了將近10年后才被其他天文學家打破。當然，她自己并不相信自己看到的這個類星體有那么遠。
魯賓后來回憶瑪格麗特時說：“在她的整個職業生涯中，瑪格麗特一直是星系、旋轉曲線、類星體紅移研究及其解釋方面的一位領袖?！保ā癟hroughout her career, Margaret has been a leader in the study of galaxies, rotation of galaxies, QSO redshifts, and their interpretation.”）
在入職圣迭戈大約兩年后（1965年），學校進一步解除限制，允許夫妻在同一個系工作，瑪格麗特被調到物理系，此后幾年一直在物理系工作，并使用利克天文臺的望遠鏡進行觀測。
抗拒性別歧視，拒領女性天文獎項
1971年，美國天文學會決定授予瑪格麗特“安妮·坎農天文獎”。坎農（Annie Jump Cannon，1863-1941）是哈佛大學天文臺的一位女性天文學家，她帶領同事們完成了恒星光譜分類的壯舉，這個分類法后來被命名為“哈佛分類法”，至今依然是最重要的恒星光譜分類法。
但坎農一輩子都沒有得到她應該得到的地位，僅僅因為她是婦女。諷刺的是，為了紀念坎農的貢獻，美國天文學會在坎農去世之前就設立了“安妮·坎農天文獎”，這個獎只授予女性天文學家，從1934年開始，每三年發一次，直到1974年才改為兩年發一次，1988年開始改為一年發一次。
瑪格麗特早已為坎農受到的不公平遭遇而不平，更認為設立這個獎本身就是性別歧視。所以她在接到獲獎通知后，寫信拒絕了坎農獎，她認為：“這個獎雖然是在獎勵女性，但也是在歧視女性?！边@使得當時還是三年頒獎一次的坎農獎在1968年與1974年都有得主，卻1971年那一次沒有得主。這也是坎農獎至今為止唯一的一次空缺。
她拒絕這個獎的另一個原因是：她不希望被人放在女性天文學家中排序，她希望與所有男性同行一決勝負，她要的是男女都有機會得獎的獎項。盡管她拒絕領獎的行為引發了一些爭議，讓一些人失望，但也促使更多人反思性別歧視問題。
格林尼治天文臺臺長：一段非常不愉快的經歷
在瑪格麗特拒絕坎農獎的同一年，即1971年，英國皇家格林尼治天文臺的臺長卸任，天文臺主任邀請瑪格麗特擔任該臺新臺長。經過反復的邀請與推辭，對方最后承諾讓杰弗里也來天文臺一起工作。多次推脫之后的瑪格麗特勉強答應擔任臺長，并于1972年秋天離開了加州大學圣迭戈分校。
上任之后，瑪格麗特成為格林尼治天文臺近300年來第一個女性臺長。但另一件事讓她有些失落：她沒有被任命為皇家天文學家。而此前近300年，得到這一職位的都是皇家天文學家，或者同時被任命為皇家天文學家。那一年，射電天文學家、后來獲得諾貝爾物理學獎的賴爾（Martin Ryle，1918-1984）被任命為皇家天文學家。
瑪格麗特認為，自己未被同時任命為皇家天文學家，是性別歧視的結果。的確，賴爾有資格得到這個頭銜，但有關機構在任命瑪格麗特為格林尼治天文臺臺長的時候，破了300年來默認的規則，不給她皇家天文學家的頭銜，而給了別人，這確實有故意的嫌疑，也因此有性別歧視的嫌疑。
比沒有被任命為皇家天文學家更讓瑪格麗特郁悶的是臺內的派系紛爭與臺內對其丈夫杰弗里的輕視與排擠。首先，臺里分為兩大派系，一派是少壯派，另一派是守舊派。瑪格麗特上任后不久，守舊派委派一位成員來到瑪格麗特辦公室，告訴她：以后不歡迎杰弗里來參加這里的任何會議。
瑪格麗特深感窘迫。杰弗里的能力比臺里其他幾乎所有人都強得多，卻僅僅因為是臺長的丈夫就被當做關系戶而被排擠、歧視。真正諷刺的是，當初天文臺主任以歡迎杰弗里也來臺里工作，作為邀請瑪格麗特的條件之一。
幾星期之后，被歧視、被排擠的杰弗里離開格林尼治天文臺，帶著女兒回到加州大學圣迭戈分校。為了完成2.5米口徑的牛頓望遠鏡的搬遷事務，瑪格麗特一直忍著持續的強烈不愉快。在望遠鏡成功搬遷到一個好地方之后，瑪格麗特立即辭職，此時距離她任職僅一年半。辭職后，瑪格麗特遇到一次車禍，幾個月之后，才終于回到了加州大學圣迭戈分校，此時已經是1973年?，敻覃愄仉x開英國的消息在英國媒體上引起熱議。比如，有一家媒體撰文《偉大的女天文學家再次離開英國》。
參與設計哈勃太空望遠鏡的光譜儀
從1979 到1988年，瑪格麗特擔任加州大學圣迭戈分校天文與空間科學中心的第一任主任，并參與大型太空望遠鏡（LST）的設計任務。
在升空之前，望遠鏡系統由7大部分構成：望遠鏡飛船系統、反射鏡、5個測光與測譜儀器。哈佛/斯密森小組建了一個小組負責設計其中一種測譜儀器——“暗天體光譜儀”，在光譜儀方面有豐富經驗的瑪格麗特應邀加入了這個小組，成為共同負責人之一。后來加州大學圣迭戈分校小組也加入進來，與哈佛/斯密森小組配合。
1990年，這個望遠鏡在幾經推遲之后，終于被“發現號”航天飛機帶上太空，里面搭載著瑪格麗特參與設計的暗天體光譜儀。這個望遠鏡就是后來聞名于世的 “哈勃太空望遠鏡（HST）”?，敻覃愄貐⑴c設計的暗天體光譜儀在太空工作了7年，直到1997年才被替換。
瑪格麗特負責領導一個小組分析這個光譜儀得到的數據。她自己也在戈達德飛行中心首次使用這個光譜儀拍攝星系光譜。當她看到此前從未看到過的遠紫外線光譜被這個在太空運行的光譜儀拍攝下來并傳到地面時，她說自己當時的心情就像當年第一次拍到星系的光譜那樣極端愉快。
瑪格麗特帶領的小組在分析了星系M87的數據之后，首次證實這個星系中心有一個超大質量黑洞。2019年4月10日，多個射電望遠鏡聯合構成的“事件視界望遠鏡” (Event Horizon Telescope，EHT) 拍攝到的第一張黑洞照片被公布，這張照片是人類首次拍攝到的黑洞照片。而這個黑洞，就是M87中心的那個黑洞。
一個活著的傳奇
1994年，應《天文與天體物理學年鑒》（ARAA）邀請，瑪格麗特寫了自傳，名為《觀天者》(Watcher of the Skies) 。在這篇文章中，她回顧了自己從出生到當時的70多年的人生。那時候，B2FH四人組還全部健在。寫完那篇文章之后的第二年，即1995年，福勒去世；2001年，霍伊爾去世；2010年，杰弗里去世。瑪格麗特成為當年B2FH四人組中唯一一位還在世的人。
2006年，87歲的瑪格麗特還參與了一篇論文。2019年8月22日，瑪格麗特度過100周歲生日。至今，加州大學圣迭戈分校還為她留了辦公室。
因為她的多個重要貢獻，瑪格麗特獲得多項榮譽：海倫·華納天文獎（1959年，與丈夫一起獲得）、美國藝術與科學院學者（1969年）、美國射電天文臺央斯基講席（1977年）、太平洋天文學會布魯斯獎（1982年）、美國國家科學獎章（1983年）、亨利·諾利斯·羅素講席（1984年）、愛因斯坦世界科學獎（1988年）、英國皇家天文學會頒發的金質獎章（2005年，與丈夫一起獲得）。
也因為其多項巨大成就，她擔任過皇家格林尼治天文臺臺長（1972-1973）、美國天文學會會長（1976-1978），是這兩個機構歷史上第一位女性臺長/會長，還擔任過美國科學促進會（AAAS）會長（1983）——大多數人不知道AAAS，但都知道AAAS旗下那個舉世聞名的期刊：Science（《科學》）。為了紀念她的貢獻，小行星5490號以她的姓名來命名。
從當年在彈片紛飛的環境中用小望遠鏡觀測星星的光譜，到后來在和平環境中用自己參與設計的哈勃太空望遠鏡的暗天體光譜儀觀測星系的光譜，瑪格麗特在自己幾十年的天文生涯中迎接了一個有一個重大挑戰，完成了一項又一項重要工作。
正如魯賓所說，瑪格麗特用自己的光輝、努力、原創性與優雅迎接挑戰；正如她的女兒薩拉所說，瑪格麗特也許只是希望成為自己所在時代的最好的觀測天文學家之一，但實際上卻成了自己所在時代的最好的天文學家之一。
作者簡介
王善欽，2018年獲得南京大學天文學博士學位，2016-2018年訪問加州大學伯克利分校，主要研究超新星爆發等現象，業余也研究科學史。
原標題：《活著的傳奇：黑洞照片的幕后英雄與拒絕領獎的抗爭者》
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