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【蔻享天文】51岁开始做研究,64岁举世闻名:她用“鹰眼”发现“漂浮”的星星
发布日期:2021-09-08 16:18    点击次数:144
(温馨提示:本文4748个字,阅读完需要约8分钟)2021年8月13日,卡洛琳·苏梅克 (Carolyn Jean Spellmann Shoemaker) 逝世,享年92岁。也许很多人对她并不熟悉,但只要提到著名的“苏梅克-列维9号彗星”或“彗木相撞”,知道的人就多得多了。这颗彗星在1994年撞击木星。而卡洛琳·苏梅克就是这颗彗星的三位发现者之一。另外两位共同发现者是尤金·苏梅克 (Eugene Shoemaker) 和大卫·列维 (David Levy) 。卡洛琳·苏梅克去世前还保持着一项傲人的成就:世界上发现最多彗星的在世者。她一生共发现32颗彗星与500多颗小行星[1]。在人类历史上,卡洛琳·苏梅克发现的彗星的数目仅次于庞斯 (Jean-Louis Pons, 1761-1831) ,后者发现了37颗彗星[2]。与那些从小热爱并学习科学的科学家不同,卡洛琳·苏梅克从小对自然科学毫无兴趣,本科与硕士学的是历史、政治学与英语文学,婚后当了二十多年家庭主妇,直到51岁才开始学习天文。但她却在64岁那年一战成名,她是如何做到这一点的?

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从文科女生到家庭主妇

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卡洛琳的父亲里昂纳德·斯佩尔曼 (Leonard Spellmann) 是新墨西哥州盖洛普一家服装店的老板,母亲哈泽尔·亚瑟·斯佩尔曼 (Hazel Arthur Spellmann) 是一位教师。二人结婚后,先生了一个男孩——理查德 ·斯佩尔曼 (Richard Spellmann) ,然后于1929年6月24日生下了卡洛琳[1]。 卡洛琳出生不久后,父母带着她与哥哥一起搬到加州的奇科 (Chico) 。长大后,卡洛琳进入奇科州立学院 (Chico State College) ,即加州州立大学奇科校区。在这里,卡洛琳先后获得历史与政治学的学士与硕士学位。有一种说法是她学习的专业中有英语文学,这可能是张冠李戴:她未来的合作者列维读的是英语文学学位[3]。没有人会预料到她将来会与自然科学有任何交集:她父母不是科学家;她自己从小对科学也没有任何兴趣;她自己在大学唯一选修过的一门自然科学的课程是地质学,这门课还让她深感乏味。但戏剧性的是,卡洛琳很快遇到一个学地质的男子。1950年,理查德结婚。理查德曾经的室友尤金·苏梅克 (Eugene Merle Shoemaker) 赶来当理查德的伴郎。尤金于1928年出生于加州的洛杉矶,16岁时就进入加州理工学院读本科。尤金的专业为地质学。完成学位论文后,19岁的尤金前往普林斯顿大学攻读博士学位[4]。22岁的尤金与21岁卡洛琳在理查德的婚礼上首次相遇。在母亲与哥哥的鼓励下,卡洛琳与尤金开始交往。经过一年的书信交往与两个星期的度假之后,卡洛琳与尤金确立了恋人关系[1, 5]。1951年8月18日,二人步入婚姻的殿堂,当时卡洛琳22岁。卡洛琳此后在自己的姓后面加了夫姓,成为卡洛琳·苏梅克 (Carolyn Jean Spellmann Shoemaker) 。尤金不仅科研做得好,还擅长给人做科普。他让卡洛琳对地质学有了强烈的兴趣。但此时距离卡洛琳走向自然科学,还有很长的一段路。根据年龄推算,卡洛琳应该是在结婚后获得硕士学位的。在研究生毕业后不久,卡洛琳也曾到一所中学教书,但发觉这个工作并不让她满意,因此很快辞职。卡洛琳辞职的另一原因是:卡洛琳更倾向于在家带孩子。他们婚后共生下两个女儿与一个儿子:克里斯蒂 (Christy) 、琳达 (Linda) 与帕特 (Pat) [5]。因为尤金频繁出差,在家带孩子的任务自然都落在了卡洛琳的身上。在婚后,二人多次搬家,最后在亚利桑那州的旗杆 (Flagstaff) 镇定居。著名的洛威尔天文台正位于这里。尤金在这里建立了美国地质勘查局 (USGS) 的天体地质中心 (Center for Astrogeology) 。天体地质学是一门交叉学科,使用地质学方法研究天体性质。

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图:洛威尔天文台的Clark圆顶。来源:[6]

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发现“漂浮”的星星

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在家庭主妇这个岗位上,卡洛琳坚守了20多年。1960年代后期,三个孩子都依次长大并外出求学或就业,卡洛琳开始深受“空巢综合征”的困扰[1]。卡洛琳决定找点有意义的事情做,以消除这种折磨。

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图:卡洛琳·苏梅克。来源:[1]1969年,尤金回到加州理工学院任教授,然后他与伊利诺·赫林 (Eleanor Helin) 于同年在加州理工学院管理的帕洛玛天文台启动一个新项目[5],这个项目使用口径为0.46米的广角(大视场)施密特望远镜拍摄接近地球的小行星(近地小行星),以确定它们撞击地球的概率。这个项目于1973年首次成功启动,并在此后大大提升了人们在这个领域的认知。尤金也因此成为“近地小天体研究之父”[4]。1980年,卡洛琳进入尤金在帕洛玛天文台的小组,作为天文观测助手,参与搜寻近地小行星。虽然卡洛琳并没有这方面的任何教育经历与学位,但开明的加州理工学院没有阻挠她[1]。

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图:帕洛玛天文台。来源:[7]由于此前卡洛琳在天文学上并无基础,因此她必须从头学起。在亚利桑那州的洛威尔天文台,舍尔特·约翰·巴士 (Schelte John Bus) 负责教卡洛琳基本的天文观测技巧[5]。舍尔特·约翰·巴士也被昵称为“波比·巴士” (Bobby Bus) ,出生于1956年,1979年毕业于加州理工学院,然后到洛威尔天文台工作,其专业为搜寻小行星[8]。卡洛琳在波比·巴士的指导下,很快展现出自己在天文方面的巨大潜力。当时的天文观测已经开始普遍采用照相技术。卡洛琳的工作的一个流程是:使用帕洛玛天文台的0.46米口径的望远镜,逐块拍摄目标天区,每次拍摄都曝光一定时间。每块天区必须被拍摄两次,相隔45分钟或1小时[5]。

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图:卡洛琳·苏梅克(1986年)。来源:[5]卡洛琳与尤金每个月有7个夜晚在帕洛玛天文台观测[9],此外的时间经常要一起开车到亚利桑那州与内华达州的沙漠,考察陨石坑或识别图像中的小行星与彗星等事务。每年他们还要去澳大利亚一次,考察那里的陨石坑[4]。 从1980年开始,卡洛琳就开始与尤金在亚利桑那州、内华达州与加州的帕洛玛天文台来回跑。在使用望远镜期间,他们每天上午服用镇静剂,让自己白天睡觉,晚上工作[9]。回到亚利桑那州时,再把生物钟倒回到正常状态。在得到照片后,卡洛琳会在帕洛玛天文台的暗房,或旗杆镇的USGS办公楼的一处由窗帘遮住的黑暗角落里,用尤金与合作者设计的立体镜,让自己的两只眼睛同时看两张图像[9]。如果在拍摄两张照片的那45分钟间隔中,有一颗小行星或彗星进入照片拍摄的区域,两张图就会产生差异。通过立体镜观看两张有轻微差异的照片,闯入图像的小行星或彗星的图像点就像漂浮在背景恒星的图像点的上方[5, 9]。理论上虽然如此,实际上要想在立体镜合成的“三维”图上辨别出漂浮的小行星与彗星,却是一件很不容易的事,这对观测者的三维视觉能力有非常高的要求。而卡洛琳恰恰拥有非常出色的三维视觉能力。此外,很多时候,胶片自身的瑕疵、感光乳剂里的灰尘、人造卫星,都会与漂浮的小行星或彗星的图像点混杂,需要观测者一一辨别并排除[9]。由于无数的恒星、底片的瑕疵与灰尘的干扰,这样的辨别过程如同大海捞针。但卡洛琳效率惊人,只需要20分钟就可以扫描完1对照片。尤金因此称卡洛琳为“老鹰眼” (Old Eagle-Eye) 。不过,任务依然很繁重,一个晴朗的冬天夜晚,可以拍出大约60张图片,组成30对,需要耗费10个小时的扫描时间[9]。卡洛琳在后来回忆说:“在加州的帕洛玛天文台观测时,我对夜空的真爱与日俱增,且在此后从未消失。”[5]在回忆自己每发现每一颗新的彗星时,她说:“我想跳舞。”[5]超凡的三维视觉天赋、超凡的耐心与超凡的勤奋,使卡洛琳迅速在这个领域获得成果。1983年,卡洛琳首次发现彗星,它被命名为“苏梅克1983p” (Shoemaker 1983p) ,此后她曾经在一年时间内发现8颗彗星[9]。随着发现的小行星与彗星越来越多,卡洛琳声望迅速上升。1988年,卡洛琳与尤金共同获得了Rittenhouse奖;1989年,北亚利桑那大学聘请卡洛琳为天文研究员 (research professor) [1]。

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一战成名:撞击木星的彗星

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到1993年初,卡洛琳发现了31颗彗星,尤金发现了28颗彗星,其中大部分是二者共同发现的。此时的卡洛琳已经在自己所在的领域成为一个令所有同行尊重甚至敬仰的天文学家。但卡洛琳在1993年的春天遇到了一个困难:那个春天很潮湿。水气是天文观测的大敌。整个一月,只有一个夜晚适合于观测;整个二月,只有一个小时适合观测[9]。但,很快,卡洛琳迎来了自己一生的高光时刻。1993年3月24日,卡洛琳在扫描0.46米施密特望远镜拍摄的图像时,发现了一颗彗星,她立即与尤金、列维以及其他合作者分析了图像。然后,他们被这颗彗星的形状惊呆了:它是棒状的。他们甚至一开始都不知道这是什么。在确定这确实是一颗有史以来最奇怪的彗星之后,卡洛琳、尤金、列维与合作者于两天后对外公布了这个发现[10],他们在报告中还特意提到:这颗彗星距离木星仅大约4度,很接近木星。这是卡洛琳发现的32颗彗星(也是最后一颗),尤金发现的29颗彗星。这颗彗星就是举世闻名的“苏梅克-列维9号彗星” (Comet Shoemaker–Levy 9) 。很多人以为这是卡洛琳、尤金与列维三人共同发现的第9颗彗星,但实际上这是它们共同发现的第11颗彗星。这是怎么回事呢?根据当时的分类标准,如果一颗彗星绕太阳转一圈的周期小于200年,就被称为“周期性彗星”;反之,就是“非周期性彗星”。这颗彗星虽然是他们共同发现的第11颗彗星,但却是其中的第9颗周期性彗星,所以被编号为“苏梅克-列维9号彗星”。其他天文学家利用更大得多的望远镜进行了后续观测,得到了更惊人的结果:这颗棒状的彗星有21个核心。它们可能是一个核心被撕碎后形成的。此后,天文学家利用计算机模拟,发现:这颗彗星在1992年7月8日就已被木星的引力撕碎为21个碎块。它当时与木星的距离比木卫十六 (Metis) 与木星的距离更小,而木卫十六是木星所有卫星中最靠近木星的。事实上,这颗彗星已经进入了所谓的“洛希极限”,因此才被木星的“潮汐引力”撕裂为21个碎块。

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图:哈勃的WFPC2拍摄的木星与苏梅克-列维9号彗星的可见光合成图。图中,彗星被木星引力撕碎后成为21个碎片,像一串珍珠一样洒落太空。来源:[11]更刺激的还在后面:计算表明这颗彗星的碎片将于1994年7月16日开始陆续撞向木星。这个结果不仅让天文学家无比兴奋,也大大激起了全世界大众的强烈兴趣,“彗木相撞” (comet collide with Jupiter) 很快成为世界上各大媒体的头条。

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图:哈勃望远镜科学家Heidi Hammel (左) 在1994年7月16日的一次新闻发布会向媒体解释彗木相撞。坐着的从左到右为卡洛琳·苏梅克、大卫·列维与尤金·苏梅克。来源:[12]1994年7月16日20时15分,苏梅克-列维9号彗星的第一个碎块撞向木星的南半球,进入木星大气,速度达到每小时21万公里。此后直到22日,所有碎块陆续撞击木星。在这些碎片中,碎片G的撞击能量最大,造成的痕迹的长度比地球的直径还长。这是人类首次成功预测并跟踪到天体碰撞事件。

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图:苏梅克-列维9号彗星的碎片先后撞击木星之后形成的斑点。此图由哈勃空间望远镜的WFPC2的紫外相机拍摄。图中上方黑圆点为阳光被木卫一 (Io) 遮挡后在木星上形成的投影。来源:[13]这次轰动全球的天文大事让卡洛琳·苏梅克、尤金·苏梅克与合作者大卫·列维在媒体与大众中一战成名。卡洛琳在圈内的地位更是进一步提高。1995年,她与丈夫一起获得“年度科学家奖”;1996年,卡洛琳被北亚利桑那大学授予荣誉博士学位,并获得NASA的“杰出科学家成就”奖章[1]。

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图:哈勃的WFPC2拍摄到8个撞击区域,最小的跨度不到200千米。这些被撞击的区域快速演化。来源:[14]

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图:苏梅克-列维9号彗星的D碎片与G碎片撞击木星后留下的巨大斑点,其中G斑点的直径比地球的直径更大。来源:[15]

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永不消逝的卡洛琳4446

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卡洛琳的成功离不开尤金的大力帮助,而卡洛琳也反过来帮助尤金成为一个彗星猎手。二者始终互相帮助,互相鼓励对方。不幸的是,1997年7月18日,卡洛琳与尤金在澳大利亚考察陨石坑的路上遭遇严重的车祸,尤金当场死亡,卡洛琳身受重伤。

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图:尤金·苏梅克。来源:[16]在康复之后,卡洛琳继续在洛威尔天文台与列维合作,一直持续到2002年。截至那一年,卡洛琳独自发现与共同发现了32颗彗星与500多颗小行星,其中有377颗小行星获得编号。为了致敬她,她在洛威尔天文台的同事爱德华·波威尔 (Edward Bowell) 将自己在1985年发现的小行星命名为“卡洛琳4446” (4446 Carolyn) 。现在,卡洛琳虽然也已逝世,但卡洛琳4446却依旧在太阳系内绕着太阳默默运动,永不消逝。

参考文献:(可向下滑动查看所有文献)

[1] Wikipedia:Carolyn S. Shoemaker, (https://en.wikipedia.org/wiki/Carolyn_S._Shoemaker)

[2] Wikipedia:Jean-Louis Pons (https://en.wikipedia.org/wiki/Jean-Louis_Pons)

[3] Wikipedia:David H. Levy (https://en.wikipedia.org/wiki/David_H._Levy)

[4] Brian Marsden, Eugene Shoemaker (https://www2.jpl.nasa.gov/sl9/news81.html) Wikipedia:Eugene Merle Shoemaker (https://en.wikipedia.org/wiki/Eugene_Merle_Shoemaker)

[5] Chapman, Mary G. (May 17, 2002). “Carolyn Shoemaker”. Astrogeology Science Center. USGS. Archived from the original on November 11, 2017. (https://astrogeology.usgs.gov/people/carolyn-shoemaker)

[6] Wikipedia:Lowell Observatory (https://en.wikipedia.org/wiki/Lowell_Observatory)

[7] About Palomar Observatory (https://sites.astro.caltech.edu/palomar/about/)

[8] Wikipedia:Schelte J. Bus, (https://en.wikipedia.org/wiki/Schelte_J._Bus)

[9] Mestel, Rosie (July 9, 1994).  “Carolyn Shoemaker and 'Her Comet'”. New Scientist. 143 (1933). p. 23. (http://www.bibliotecapleyades.net/esp_shoemaker_a.htm)

[10] Shoemaker, C. S., et al. IAUC 5725: 1993e  (http://www.cbat.eps.harvard.edu/iauc/05700/05725.html#Item1)

[11] https://esahubble.org/images/opo9426a/ 

[12] Levy, David H. (July 16, 2014). “Comet Shoemaker-Levy 9: 20 years later”. Sky & Telescope. (https://skyandtelescope.org/astronomy-news/comet-shoemaker-levy-9-20-years-later-07162014/)

[13] https://esahubble.org/images/opo9435a/

[14] https://esahubble.org/images/opo9434a/

[15] https://esahubble.org/images/opo9433a/

[16] Wikipedia: Eugene Merle Shoemaker (https://en.wikipedia.org/wiki/Eugene_Merle_Shoemaker)

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文章作者王善钦,2018年于南京大学获得天文学博士学位,2016年至2018年访问加州大学伯克利分校天文系。主要研究超新星、千新星等爆发现象,至今为止在ApJ, MNRAS上发表23篇科研论文。业余也研究天文学史与物理学史。王善钦专栏链接:https://www.koushare.com/category/singlecolumn/60

编辑:王茹茹