星系追寻者！她是人类认识宇宙的眼睛

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　　Faber近照（9月18日，北京，图片来源：新华社）

　　星系追寻者

　　宇宙对人类有无与伦比的吸引力。从意识到地球不是宇宙的中心，到认识到太阳与天上众多恒星一样都是银河系的成员，到发现银河系外更有广袤天地，人类在认知宇宙的道路上逐步登攀，渐入佳境。

　　自从 Edwin Hubble 指出许多“星云”其实是银河系外其他的星系 [1]，人们需要重新审视宇宙的大小。随着更大的望远镜投入使用，人类看到了更深的宇宙，一个最直接的问题就是，如果我看到一个星系，我怎么知道它离我有多远，有多大？

　　1976 年，Faber 与她的研究生 Robert Jackson 研究了 25 个已知光度的椭圆星系，根据星系的谱线展宽，确定了其中恒星的速度弥散，发现椭圆星系中恒星的速度弥散与这个星系的光度的四次方成正比关系 [2]。这一工作启发了天文学家对星系大小、亮度、速度弥散之间关系的一系列研究，后来形成了星系“基本面”的体系。

　　除了写入课本的 “Faber-Jackson关系”令 人熟知，半个世纪以来，Faber 参与了星系天文学几乎所有方面的研究。如果说哈勃创立了星系天文学，那么当今星系天文学的体系就是由 Faber 等天文学家一手构建起来的。

　　宇宙学泰斗

　　事实上，星系天文学与宇宙学不可分割。Faber 在宇宙学方面也是一名泰斗。1979 年，Faber 与 Gallagher 合作发表了一篇文章 [3]，回顾了暗物质存在证据，该文章被认为是关乎宇宙中 80% 质量是否“丢失”的讨论的转折点。

　　1983年，Faber 与 Douglas Lin（林潮）的文章 [4] 指出暗物质不可能是中微子，但可能是另一种亚原子粒子，与之前所认为的不同，暗物质是冷的。

　　这一概念现在已经被人们广泛接受，天文学家构建出了带有宇宙学常数的冷暗物质模型（ΛCDM），被称为“标准宇宙学模型”。当然，Faber 等科学家仍然在进行研究试图完善标准宇宙学模型。

　　1984年，Faber 与 Joel Primack，George Blumenthal 和 Martin Rees 合作，提供了一个关于冷暗物质如何解释我们在宇宙中实际观察到的星系和超星系团的结构和行为的综合理论 [5]，这个理论解释了上文提到的 Faber-Jackson 关系，并且目前仍然是支撑所有现代星系形成模型的范例。

　　科研合作

　　1988 年，Faber 成为 Seven Samurai（七武士）团队的首席研究员，这项合作发现了宇宙膨胀率的不规则性，这种膨胀显然取决于物质的分布，因此在最大尺度上依赖于引力效应的分布。该小组开发出一种估算任何星系距离的方法，这种方法成为衡量宇宙总密度的最可靠方法之一。

　　从 1985 年到 2002 年，Faber 担任 Nuker 团队的首席研究员，Nuker 在 Faber 领导下的合作所发现的发现之一是，每个大星系的中心都有一个巨大的黑洞，并且该中心黑洞的质量与整个星系内恒星的轨道速度密切相关。

　　科学家？工程师？

　　天文学作为一门观测学科，大科学装置的建造很大程度上会影响学科的发展。因此，除了科学研究工作以外，Faber 还积极参与了许多大科学工程与项目。

　　Faber 参与设计了目前口径最大的光学望远镜 Keck 望远镜的光学结构，领导建造了 Keck 望远镜的的光谱仪 DEIMOS，这个光谱仪使 Keck 望远镜对遥远星系的观测能力提升了 13 倍，能够追溯到数十亿年前形成的星系，这些观测将成为星系形成理论的终极考验。

　　Keck望远镜（图片来源：fourseasons.com）

　　她还参与设计了 HST（哈勃空间望远镜）上的广域行星照相机 WFPC。1990 年，Faber 与其学生诊断出哈勃望远镜光学设计上的瑕疵为球面像差，并参与了修复工作。

　　哈勃空间望远镜在修复中（图片来源：Warner Bros）

　　自 2010 年起至今，Faber 领导了哈勃望远镜有史以来最大的项目 CANDELS，其惊人的曝光深度使得人们能够研究宇宙自早期以来各种星系的性质。

　　Faber 与 Hubble Deep Field（图片来源：NASA）

　　Faber 在学生时代曾面临主修粒子物理还是天体物理的抉择，同样是认识世界的途径，她更喜欢“难以想象地巨大的浪漫” 而不是“无法掌握的微小粒子神秘舞蹈”，而她也无愧于她当年的选择。以 Faber 为代表的天文学家，就是我们人类认识宇宙的眼睛。

　　参考链接

　　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（首发于科学网微信公众号https://mp.weixin.qq.com/s/90uUT5EK_WqZpb3ox8xngw）