[科普中國]-追尋星系，她是人類認(rèn)識宇宙的眼睛

Faber****近照（9月18日，北京，圖片來源：新華社）

星系追尋者

宇宙對人類有無與倫比的吸引力。從意識到地球不是宇宙的中心，到認(rèn)識到太陽與天上眾多恒星一樣都是銀河系的成員，到發(fā)現(xiàn)銀河系外更有廣袤天地，人類在認(rèn)知宇宙的道路上逐步登攀，漸入佳境。

自從 Edwin Hubble 指出許多“星云”其實是銀河系外其他的星系 [1]，人們需要重新審視宇宙的大小。隨著更大的望遠(yuǎn)鏡投入使用，人類看到了更深的宇宙，一個最直接的問題就是，如果我看到一個星系，我怎么知道它離我有多遠(yuǎn)，有多大？

1976 年，F(xiàn)aber 與她的研究生 Robert Jackson 研究了 25 個已知光度的橢圓星系，根據(jù)星系的譜線展寬，確定了其中恒星的速度彌散，發(fā)現(xiàn)橢圓星系中恒星的速度彌散與這個星系的光度的四次方成正比關(guān)系 [2]。這一工作啟發(fā)了天文學(xué)家對星系大小、亮度、速度彌散之間關(guān)系的一系列研究，后來形成了星系“基本面”的體系。

除了寫入課本的 “Faber-Jackson關(guān)系”令 人熟知，半個世紀(jì)以來，F(xiàn)aber 參與了星系天文學(xué)幾乎所有方面的研究。如果說哈勃創(chuàng)立了星系天文學(xué)，那么當(dāng)今星系天文學(xué)的體系就是由 Faber 等天文學(xué)家一手構(gòu)建起來的。

宇宙學(xué)泰斗

事實上，星系天文學(xué)與宇宙學(xué)不可分割。Faber 在宇宙學(xué)方面也是一名泰斗。1979 年，F(xiàn)aber 與 Gallagher 合作發(fā)表了一篇文章 [3]，回顧了暗物質(zhì)存在證據(jù)，該文章被認(rèn)為是關(guān)乎宇宙中 80% 質(zhì)量是否“丟失”的討論的轉(zhuǎn)折點。

1983年，F(xiàn)aber 與 Douglas Lin（林潮）的文章 [4] 指出暗物質(zhì)不可能是中微子，但可能是另一種亞原子粒子，與之前所認(rèn)為的不同，暗物質(zhì)是冷的。

這一概念現(xiàn)在已經(jīng)被人們廣泛接受，天文學(xué)家構(gòu)建出了帶有宇宙學(xué)常數(shù)的冷暗物質(zhì)模型（ΛCDM），被稱為“標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型”。當(dāng)然，F(xiàn)aber 等科學(xué)家仍然在進(jìn)行研究試圖完善標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型。

1984年，F(xiàn)aber 與 Joel Primack，George Blumenthal 和 Martin Rees 合作，提供了一個關(guān)于冷暗物質(zhì)如何解釋我們在宇宙中實際觀察到的星系和超星系團(tuán)的結(jié)構(gòu)和行為的綜合理論 [5]，這個理論解釋了上文提到的 Faber-Jackson 關(guān)系，并且目前仍然是支撐所有現(xiàn)代星系形成模型的范例。

科研合作

1988 年，F(xiàn)aber 成為 Seven Samurai（七武士）團(tuán)隊的首席研究員，這項合作發(fā)現(xiàn)了宇宙膨脹率的不規(guī)則性，這種膨脹顯然取決于物質(zhì)的分布，因此在最大尺度上依賴于引力效應(yīng)的分布。該小組開發(fā)出一種估算任何星系距離的方法，這種方法成為衡量宇宙總密度的最可靠方法之一。

從 1985 年到 2002 年，F(xiàn)aber 擔(dān)任 Nuker 團(tuán)隊的首席研究員，Nuker 在 Faber 領(lǐng)導(dǎo)下的合作所發(fā)現(xiàn)的發(fā)現(xiàn)之一是，每個大星系的中心都有一個巨大的黑洞，并且該中心黑洞的質(zhì)量與整個星系內(nèi)恒星的軌道速度密切相關(guān)。

科學(xué)家？工程師？

天文學(xué)作為一門觀測學(xué)科，大科學(xué)裝置的建造很大程度上會影響學(xué)科的發(fā)展。因此，除了科學(xué)研究工作以外，F(xiàn)aber 還積極參與了許多大科學(xué)工程與項目。

Faber 參與設(shè)計了目前口徑最大的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡 Keck 望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)結(jié)構(gòu)，領(lǐng)導(dǎo)建造了 Keck 望遠(yuǎn)鏡的的光譜儀 DEIMOS，這個光譜儀使 Keck 望遠(yuǎn)鏡對遙遠(yuǎn)星系的觀測能力提升了 13 倍，能夠追溯到數(shù)十億年前形成的星系，這些觀測將成為星系形成理論的終極考驗。

Keck****望遠(yuǎn)鏡（圖片來源：fourseasons.com）

她還參與設(shè)計了 HST（哈勃空間望遠(yuǎn)鏡）上的廣域行星照相機(jī) WFPC。1990 年，F(xiàn)aber 與其學(xué)生診斷出哈勃望遠(yuǎn)鏡光學(xué)設(shè)計上的瑕疵為球面像差，并參與了修復(fù)工作。

哈勃空間望遠(yuǎn)鏡在修復(fù)中（圖片來源：Warner Bros）

自 2010 年起至今，F(xiàn)aber 領(lǐng)導(dǎo)了哈勃望遠(yuǎn)鏡有史以來最大的項目 CANDELS，其驚人的曝光深度使得人們能夠研究宇宙自早期以來各種星系的性質(zhì)。

Faber 與 Hubble Deep Field（圖片來源：NASA）

Faber 在學(xué)生時代曾面臨主修粒子物理還是天體物理的抉擇，同樣是認(rèn)識世界的途徑，她更喜歡“難以想象地巨大的浪漫” 而不是“無法掌握的微小粒子神秘舞蹈”，而她也無愧于她當(dāng)年的選擇。以 Faber 為代表的天文學(xué)家，就是我們?nèi)祟愓J(rèn)識宇宙的眼睛。

參考鏈接

1. Hubble E. No. 324. Extra-galactic nebulae[J]. Contributions from the Mount Wilson Observatory/Carnegie Institution of Washington, 1926, 324: 1-49.

2. Faber, S. M., and Robert E. Jackson. "Velocity dispersions and mass-to-light ratios for elliptical galaxies." The Astrophysical Journal 204 (1976): 668-683.

3. Faber, Sandra M., and J. S. Gallagher. "Masses and mass-to-light ratios of galaxies." Annual review of astronomy and astrophysics 17.1 (1979): 135-187.

4. Faber, S. M., and D. N. C. Lin. "Is there nonluminous matter in dwarf spheroidal galaxies." The Astrophysical Journal 266 (1983): L17-L20.

5. Blumenthal, George R., et al. "Formation of galaxies and large-scale structure with cold dark matter." Nature 311.5986 (1984): 517.

6. http://cwp.library.ucla.edu/articles/faber.htm

7. http://www.ucolick.org/~faber/

8. https://gruber.yale.edu/cosmology/press/2017-gruber-cosmology-prize-press-release

9. http://wap.sciencenet.cn/blog-3399175-1137830.html（首發(fā)于科學(xué)網(wǎng)微信公眾號https://mp.weixin.qq.com/s/90uUT5EK_WqZpb3ox8xngw）