追尋之路———紀念Vera Rubin

2016年剛剛過去的聖誕節，暗物質的」發現者「之一Vera Rubin女士離開了我們。對逝去的偉大的天文學家，我們緬懷的時候，心中總會油然而生一股崇敬之情，隨之而來的還有激發起來的職業榮譽感和對科學追尋之路更加堅定的信念。當然作為一個天文研究工作者，紀念的最好方式或許就是回顧一下她的科學貢獻了。

今天的我們已經把Vera Rubin這個名字和暗物質這個風靡全球的時髦辭彙緊緊的聯繫在一起。然而任何一個科學概念的建立，或許今天我們看來無比的習以為常，但在歷史的河流中，它是由涓涓細流靜靜流淌慢慢匯聚而成，最終顛覆我們的時空。在暗物質這股洪荒之力的匯聚過程中，Vera Rubin對星系旋轉曲線的測量是其中最耀眼奪目的一朵浪花。

天文之路———在質疑與批判中前行

Vera於1928年生於美國費城，11歲的時候全家搬到了華盛頓，在那裡她開啟了對天文的興趣，父親還幫她組裝搭建了一個小望遠鏡讓她看星星。然而她對天文的興趣並沒有讓中學物理老師認可，高中畢業的時候，當她告訴物理老師她要去當時還是女校的瓦塞學院學天文的時候，老師卻對她說「你做什麼都比做科研好」。這是一個充滿性別偏見的老師，認為只有男性才能做出富有創新和才華的科學發現。

圖１：Vera Rubin在觀測，拍攝於1947年瓦薩學院。

1948年，Vera作為唯一一名天文學專業本科生從瓦薩學院畢業。當時，她想去普林斯頓大學繼續研究天文，但普林斯頓直到1975年才准許招收天文學專業的女生。因而，Vera轉而投向康奈爾大學。康奈爾的物理課程十分精彩，她上過包括Richard Feynman，Phil Morrison和Hans Bethe在內的物理大師的課程。不過Vera的興趣還是在天文上，她碩士畢業論文的課題是「The possibility of a bulk rotation in the universe by looking for non-Hubble flow」，也就是發現宇宙膨脹之外的星系運動，星系有可能像恆星一樣繞著一個未知的公轉中心旋轉。她的碩士導師是Stahr，覺得她的結果非常有意思，應該去1950年12月的Haverford美國天文學會年會上給個報告。不過Vera當時已經懷有身孕，並且不是該學會的成員，她的導師由此提議，由他代替前去作報告。Vera拒絕了，決定自己親自去做報告。她的報告遭受了猛烈的批判，認為是完全錯誤的做法。她的這次經歷還被華盛頓郵報（1950年12月31日）給調侃了一番:

圖２：華盛頓郵報對Vera的調侃。

報道的標題是"Young Mother Figures Center of Creation by Star Motion"（年輕的媽媽數星星發現了宇宙創生的中心）。好吧，這是Vera第一次上媒體剪報。現在我們可以說，這是最早表明星系的運動偏離宇宙膨脹的哈勃流之外的工作之一，星系可能還繞著某個引力中心做公轉運動。

碩士畢業之後，Vera的丈夫工作調動，Vera選擇去喬治敦大學攻讀博士，因為這是附近唯一授予天文學博士學位的學校。在那裡，她的導師是大名鼎鼎的大爆炸理論提出者George Gamow。在這之前，Gamow聽說了Vera在Haverford會議上的報告結果並且非常感興趣，並且詢問她這些星系分布的特徵尺度。Vera認為這個問題非常有意義，於是決定跟隨Gamow做博士研究。三年後，Vera完成了她的博士畢業論文，然而她的研究結果被ApJ拒了，拒搞的人正是雜誌的前編輯Chandrasekhar。事實上，當時Chandrasekhar的學生在做類似的課題，他想等學生的結果出來之後再考慮Vera的結果。最終，Vera的論文發表在PNAS（美國科學院院報）上，標題是「Fluctuations in the Space Distribution of the Galaxies"(星系空間分布的漲落)。她發現星系在宇宙中並不是隨機分布的，而是呈現斑塊狀分布。這個觀點直到二十年之後才被廣泛注意，逐漸形成了今天我們所普遍接受的冷暗物質等級成團宇宙學模型。

博士畢業後，Vera開始了在喬治敦大學的十年科研和教學生涯。到1960年，她已經從1950年的」年輕媽媽「變成了四個孩子的母親。在Vera科學精神的耳濡目染下，這四個孩子後來全都拿到了自然科學的博士學位，兩位地質學家，一位數學家，一位天文學家。

圖３：Rubin一家在落基山國家公園。拍攝於1961年夏。

星系旋轉曲線———初試牛刀

今天我們所說的Vera導致暗物質發現的工作一般都是指她從1970年代開始發表的一系列結果，那是通過對近鄰星系旋轉曲線的測定，發現星系旋轉曲線在外圍變平，完全偏離了由我們觀測到的物質所預言的運動。然而，通過溫習Rubin的文獻列表我們可以發現，她這方面的工作其實可以追溯到更早的時候。

1962年，Vera在喬治敦大學教研究生的統計天文學課程，班上只有六位學生，五位是在美國海軍天文台供職的碩士，還有一位為NASA工作。由於它們的工作性質，他們對星表很熟，於是Vera給他們出了一個課程研究課題：能否用星表裡的恆星得到銀河系的旋轉曲線。她指導這幾個學生完成了這個課題，結果發表在《The Astrophysical Jounral》上（Rubin et al. 1962,ApJ,67,491），文章的Abstract里這樣寫道:

論文Abstract里明確說了，「在距銀心大於8.5kpc的區域，恆星旋轉曲線變平，與開普勒軌道所預言的下降趨勢不符」。這是Vera得到的第一條星系旋轉曲線。然而這個工作並沒有得到很好的反應，她收到了很多負面不友好的評價，說結果不可能是正確的，用的數據不夠好等等。Vera對於這些評價早已經習慣了，回顧Vera Rubin的早期生涯，我們可以發現她始終在被炮火猛烈抨擊的前沿陣地上。

不過，這個小試牛刀的發現在Vera心中埋下了一顆種子，多年後逐漸生根發芽長成蒼天大樹。

激情燃燒的歲月

在1960年代的美國，性別歧視無處不在，女性也無法像男性一樣獲得平等的機會去天文台觀測。然而，Vera卻偏要打破傳統，逐漸開啟了輝煌的天文觀測之路。1963年，她通過與Burbidge夫婦工作的機會在基特峰國家天文台開始觀測，用當時山上最大的36英寸望遠鏡繼續觀測銀河系裡更遠恆星的運動和其他星系自轉。這是她1962年發現銀河系奇怪的旋轉曲線之後最關心的課題。此後，1965年她獲准成為第一個在帕洛瑪天文台觀測的女天文學家。

相比於教學，Vera發現自己更沉迷於天文觀測。於是，1965年她辭去喬治敦大學的工作加盟了卡耐基學院地磁研究所。由於她每天下午三點半之前就得離開接孩子放學，她的工資被砍了三分之一。雖然如此，在那裡，她遇到了一生最重要的合作者Kent Ford，

Kent是一位天文儀器專家，他剛剛從威爾遜山天文台測試他的光電倍增光譜儀回來，這比普通的膠片成像效率提高了近十倍。他們相見如故，Kent急需人手幫忙處理光譜以測試倍增管的靈敏度極限，而Vera需要光譜來測量恆星速度來繼續研究她感興趣的課題。不過當時類星體剛剛被發現如火如荼，測試過程中他們拍攝了很多類星體光譜（如3C33,3C48等）。在類星體這個當時競爭非常激烈的領域，藉助新裝備的高效率，Vera和Kent如魚得水，發表了一篇又一篇論文。當時，很多競爭者專門打電話善意的問Vera某個觀測目標是否已經觀測，以避免重複。Vera並不喜歡這種激烈競爭的研究氣氛，1968年她經過一番思考之後，做出了一個不同尋常的決定，從熱門的類星體研究中抽身走開，重新回到了星系旋轉曲線的測量中。

仙女星雲M31：無獨有偶

Vera首先準備完成仙女星雲M31旋轉曲線的測量。這是距離我們銀河系最近的星系之一，它在天空中巨大的張角（~2度）有利於研究它的動力學。事實上，對M31的旋轉運動研究從1914年就開始了，其中Babcock(1939)和Oort(1940)的研究已經表明可見光物質並不能很好的解釋M31的旋轉。她在2001年出版的ARA&A關於星系旋轉曲線的綜述里毫不避諱的說出了這一點。很多偉大的發現在歷史的脈絡中都是在有跡可循的，暗物質的發現也是這樣。

圖4: M31。其中黑色的點是Vera Rubin觀測的HII區。

有了全新的光譜儀，能夠得到更好的數據，Vera決定再一次對M31進行旋轉曲線的測定。不同於我們的銀河系可以直接觀測恆星的運動，受限於解析度，對相對遙遠的星系，當時一般通過觀測星系裡的發射線區來研究。這些發射線區其實就是恆星形成區（HII區），大質量恆星的劇烈光度電離了周圍的氣體，從而產生的強發射線，通過測量譜線的移動，我們可以定出發射線區的運動速度。因此，首先得找到發射線區的位置。事實上，在這之前的1940年代，Baade已經用威爾遜山上的100英寸望遠鏡通過Ha發射線認證出了668個HII區，在他去世之後的1964年才在ApJ上公開發表。Baade當時認證每個HII區需要拍攝20小時，而現在用倍增管光譜儀，只需要1.5個小時。Vera選擇了其中的67個HII區拍攝了光譜，這些HII區分布在沿著星系長軸離中心3-24kpc的範圍內，速度測量精讀達到了10km/s。

1968年12月，Vera在Austin的天文學會年會上展示了她的結果。在茶歇時間，Minkowski對她的結果非常支持並建議她馬上發表結果。最終，論文以」Rotation of the Andromeda Nebula from a Spectroscopic Survey of Emission Regions「（從發射線區光譜巡天得到的仙女星雲旋轉）為題發表在1970年的ApJ上。

圖５：通過HII區得到的M31旋轉曲線。

再一次，Vera發現星系旋轉曲線在外圍變平了，從銀河繫到M31，從恆星運動到發射線區運動，都表明星系的旋轉曲線是明顯偏離預期的。這個結果引起了廣泛關注和後續研究，1975年，Roberts和Whitehurst通過21cm中性氫的測量把M31的旋轉曲線延拓到更外圍的尺度，發現很外圍的旋轉曲線依然是平的。

隨後，Vera把目標投向了更多的星系，無獨有偶，她發現所有的星系旋轉曲線在外圍都變平了。終於在1980年的一項對21個不同大小的Sc型星系的系統測量之後，她總結到：

即」在光學看到的星系之外，不可見物質的存在是不可避免的「。雖然早在20世紀30年代，Zwicky就通過星系團里星系的運動極富天才的預言了暗物質的存在，但通過Vera的系列工作，暗物質才逐漸從幕後走向了歷史舞台的中心，慢慢被人信服的廣泛接受，如今成為天文學中最基本的問題。

名聲是浮雲

暗物質的發現給Vera Rubin帶來了無數榮譽，1993年她成為美國科學院歷史上第二位女性院士，並於同年獲得美國國家科學獎章；1996年，她獲得英國皇家天文學會頒發的金質獎章，這是繼首位女性彗星發現者卡洛琳·赫歇爾獲得該獎章後，一百多年來的第一位女性獲獎者；2003年，她獲得了象徵天文學終生成就獎的布魯斯獎。此外，她還多年來被呼籲應該獲得物理學獎的最高榮譽————諾貝爾物理學獎。

圖６：1970年拍攝於卡耐基學院地磁研究所。

對於她所獲得的名聲，Vera曾經這樣說過

Fame is fleeting, my numbers mean more to me than my name. If astronomers are still using my data years from now, that』s my greatest compliment.

翻譯過來就是

名聲是浮雲， 我的數據比我的名字更重要。如果天文學家多年後仍在引用我的數據，才是對我最大的恭維。

在追尋真理的道路上，與君共勉。

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