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杏耀平台:纪念里卡尔多·贾科尼:天文学英雄时代

杏耀平台 纪念里卡尔多
 
 
里卡尔多·贾科尼(Riccardo Giacconi),“x射线天文学之父”,诺贝尔奖得主,现代天体物理学最有影响力的人物之一,于去年12月去世,享年87岁。里卡尔多的职业生涯跨越了50多年的时间和10个数量级的波长,他为观察宇宙打开了新的窗口,并在从哈勃太空望远镜到阿塔卡马大毫米/亚毫米阵列(ALMA)等各大天文台彻底改变了“大天文”的工作方式。2002年,里卡多因“对天体物理学的开创性贡献,导致了宇宙x射线源的发现”而获得了一半的诺贝尔物理学奖。
 
里卡尔多精通古典文学,经常说自己像奥德修斯一样被驱使着去追求美德和知识。从20世纪60年代末开始,我们三人有幸以这样或那样的方式陪伴他踏上史诗般的旅程。当时,我们20多岁,在马萨诸塞州坎布里奇的美国科学与工程学院(AS&E)相聚。
 
在我们来到AS&E的时候,里卡尔多已经在那里工作了10年,并晋升为执行副总裁。1961年,他成功地从空军剑桥研究实验室(Air Force Cambridge Research Laboratory)获得资金,向太空发射了一台x射线探测器。虽然里卡多表面上的目标是探测来自月球的荧光x射线,但他仍在寻找更大的猎物。
 
里卡多于1931年10月6日出生在意大利热那亚,在米兰度过了他人生的前25年,在米兰大学获得了物理学博士学位,在著名的宇宙射线物理学家朱塞佩·奥基亚里尼的指导下工作。当时,研究高能核反应的唯一实际方法是探测和分析大气中高能粒子,主要是质子与原子核的相互作用。里卡尔多虽然对探测器的概念、设计和建造了解很多,但缺乏“行动”,这让他感到沮丧:他在阿尔卑斯山的一个Quonset hut里用了两年左右的时间,用自己的宇宙射线探测器,获得了80次高能宇宙射线探测事件。
 
1956年,里卡尔多获得富布赖特奖学金,移民美国,先后在印第安纳大学和普林斯顿大学担任博士后研究员。在那里,他遇到了赫伯特·古尔斯基,并和他一起做宇宙射线实验。按照贾科尼的说法,“我们制造设备,像恶魔一样工作,分析数据,然后宣布失败。里卡尔多的富布赖特奖学金期满后,他跳槽去了AS&E,这是一家由马丁·安尼斯创办的初创公司,安尼斯以前是布鲁诺·罗西的学生,布鲁诺·罗西是麻省理工学院的教授。
 
在他家里的一次聚会上,罗西建议里卡多考虑发展x射线天文学项目的可能性。由海军研究实验室的赫伯特·弗里德曼领导的一个小组此前曾观测到来自太阳的x射线,但基于太阳x射线的强度,似乎不太可能从遥远得多的恒星上检测到x射线。
 
里卡尔多并不相信,他怀疑问题不在于恒星,而在于x射线探测器的效率,以及对宇宙所能提供的东西缺乏想象力。他们与从普林斯顿搬到AS&E的弗兰克·保里尼(Frank Paolini)和古尔斯基(Gursky)合作,建造了一个视野更开阔的探测器,其灵敏度比以前的探测器高出约50倍。
 
1962年6月12日,在前两次发射以失败告终后,里卡尔多和他的团队取得了成功。火箭在大气层上空飞行了五分钟。在这段时间里,它探测到了天蝎座(Scorpius X-1)方向的一个强源,以及一种无处不在的x射线背景辐射。他们将天蝎座命名为天蝎座X-1。x射线天文学诞生了!
 
贾科尼迅速行动起来,利用这个新的窗口探索宇宙。1963年,他和古尔斯基共同努力,为x射线天文学的未来制定了一个大胆的计划,其中包括更多的火箭飞行、一颗可以探测整个天空的x射线卫星,以及几年后的x射线望远镜。
 
拟议的时间表过于雄心勃勃,但愿景是正确的,结果令人震惊。在美国国家航空航天局的资助下,贾科尼的团队开发并运行了第一颗x射线卫星Uhuru,该卫星于1970年12月发射升空。在这个项目中,里卡尔多改进了他称之为系统工程的科学方法。工程师和科学家并肩工作,建立需求,开发设计,建造和测试硬件,并计划卫星的操作。里卡尔多本人对所有的子系统都很熟悉——知道哪些子系统是关键的,哪些子系统可以为其他子系统提供支持能力,如何进行科学操作等等。他敦促NASA在获得数据后24小时内将20%的数据传回AS&E,并指示团队开发一套软件系统,以便在我们收到数据后立即对其进行分析。这与美国国家航空航天局以前的科学任务截然不同。在以前的科学任务中,数据磁带是在采集后几周通过邮件发送的。
 
数据的迅速转变使里卡尔多和他的团队几乎能立即做出重大发现,并重新安排观测日程和卫星配置,以便对这些发现进行跟踪和利用。在个人层面上,尽管以大学标准来看是初级科学家,而且对这个项目相对较新,但我们三位和几位同事接到了这个项目的任务,挑战了我们的极限,同时从一开始就提供了发展技术、管理、科学和沟通技能的机会。
 
尽管里卡尔多在AS&E担任高级主管有多重职责,但他每天都会抽出一部分时间和其他科学家一起分析最新的乌胡鲁数据。在几个月之内,研究小组发现了天鹅座X-1星源不稳定的亚秒变异性,人马座X-3星源的周期为4.84秒。通过对Cen X-3的深入研究,我们确定它的轨道是一个双星系统,周期为2.087天。进一步的观察证实,Cen X-3是由从伴星向中子星坠落的物质释放的重力能量提供能量的。随后,贾科尼和乌呼团队以及其他一些观察员和理论家,确定天鹅座x - 1是最可能黑洞质量(后来成为大约15倍太阳质量),环绕在一个双星系统,由物质落向黑洞。这一发现首次证实了黑洞的存在。
 
在乌呼鲁时期,里卡尔多每周五下午与乌呼鲁科学小组会面。在这些经常暴风雨般的会议中,对于我们所看到的,我们认为我们所理解的,我们所不知道的,以及我们下一步想做的事情,大家都进行了开诚布公的讨论和讨论。思想,不管多么狂乱,都是随波逐流,被无情地驳倒了。人们尊重所有人,但没有人是神圣不可侵犯的,每个人都必须基于逻辑和科学价值来捍卫自己的观点。乌胡鲁会议让大多数与会者筋疲力尽,但也建立了信心——对我们的成果,对我们前进的计划,以及对彼此的信心。
 
 
1973年,贾科尼的核心团队搬到了马萨诸塞州剑桥新成立的哈佛-史密森天体物理中心(CfA),在那里成立了高能天体物理分部。正是在那里,里卡尔多最早的设想之一得以实现,1978年,随着爱因斯坦x射线天文台的发展和发射,这是第一个用于太阳系外源的成像x射线望远镜。爱因斯坦无疑证明了x射线成像的重要性,他发现从附近的恒星到遥远的类星体,基本上所有类型的天体和系统都会发射x射线。这项任务的创新之处包括征求一般社区的建议,发展计划、安排和存档爱因斯坦观测的程序和技术,从而为更广大的天文社区开放进入天文台的机会。这个模型在当时是新的,现在已经被NASA的所有天体物理学任务和大多数地面天文台所采用。
 
1976年,贾科尼和哈维·塔南鲍姆认识到爱因斯坦的寿命是有限的,并对它将产生的前景充满信心,他们提出了爱因斯坦的继任者——钱德拉x射线天文台。钱德拉天文台成立于1999年,现在已经运行了20年,其产生亚弧秒x射线图像的能力无人能及,并已成为有史以来最具成效的天文台之一。使用钱德拉的数据发表了7000多篇论文,涉及的主题五花八门,有系外行星、中子星、黑洞、星系团、暗物质和暗能量。
 
虽然里卡尔多会继续接受新的挑战,但他仍以多种身份参与钱德拉的研究,包括他在钱德拉深部南地观测的最初几年里作为团队领导的角色。他也仍然涉及“精神上”他招募和训练的很多人在使钱德拉扮演关键角色的现实,包括,但不限于,莱昂Van Speybroeck作为望远镜科学家,斯蒂芬·默里作为高分辨率相机,首席研究员和哈维Tananbaum第一钱德拉x射线中心主任。
 
1981年,里卡尔多成为太空望远镜科学研究所(STScI)的首任所长。科学界坚持认为,一个大型的、独特的、昂贵的新设施的科学运作——第一个主要的国际光学天文台,后来命名为哈勃——是由科学界自己管理的,而不是由NASA中心管理的。他坚持要让CfA小组保持完整,但认识到有必要将科学操作理念从x射线小组转移到光学领域,于是他聘请伊桑·施里尔(Ethan Schreier)到巴尔的摩监督哈勃望远镜的操作和数据系统。
 
里卡尔多白手起家,建立了一个全新的机构,所依据的许多原理与他的x射线天文卫星所遵循的原理是一样的。他组装的核心员工在操作方面有经验的工程,特别是科学学科需要哈勃运作,考虑到所有方面的需要使哈勃科学有用:规划和调度,卫星指挥和操作,一个指导科学项目的开发过程,和一个生态系统来帮助社区使用哈勃望远镜。
 
里卡尔多和他的工作人员为哈勃望远镜引进了其他现在已成为大型天文项目标准的创新技术。其中包括一个正式的数据归档、校准数据的分发和归档、一个正式的归档数据分析程序、一个基于人工智能的计划和调度系统、为大型“关键”程序预留时间以及自由分发的便携式数据分析软件。第一个基于互联网的天文设施之间的网络也是在哈勃望远镜的赞助下发展起来的。他创立了第一个社区运营的资助项目来支持哈勃的用户,并设立了一个“哈勃研究员”项目来支持年轻的天文学家,这成为了其他任务和学科的榜样。
 
当哈勃望远镜的光学系统出现错误时,太空望远镜界的许多人都感到气馁,但里卡尔多立即采取了行动。工作小组设立了平行的目标——如何在解决哈勃自身基本问题的同时,最大限度地科学利用所收集的数据。这些小组包括研究所工作人员和从世界各地征聘的专家。他们达到了目标。起初,哈勃望远镜令NASA和天文学界感到尴尬,但后来,随着它成为一个家喻户晓的世界,它获得了巨大的成功。里卡多的视野和与哈勃的合作导致了光学天文学的重大突破,产生了对宇宙及其演化的新的科学观点,同时为天文学提供了一个新的范式,使最广泛的天文学社区能够使用最先进的设备。
 
随着哈勃望远镜的成功,1993年贾科尼搬到了德国的加兴,在那里他成为第一个担任欧洲南方天文台(ESO)主任的美国人。ESO开始执行超大望远镜(VLT)计划,在智利建造下一代光学望远镜,比主导天文学近半个世纪的望远镜要大得多。(凯克已经开始观测,但并没有向公众开放,哈勃望远镜当然属于另一个类别,位于地球大气层之上。)
 
里卡多继承了这个新望远镜的初步概念,这个新望远镜比eso之前建造的新技术望远镜大30倍。Riccardo通过当时的科学系统工程实践应用了他的方法,全面重组了ESO,引入了现代管理技术。在ESO的任期结束时,他介绍了一些系统和程序,这些系统和程序已经在哈勃望远镜上得到了证实,但尚未用于地面光学天文学。展望未来,里卡尔多还开始研究ESO的下一个主要光学望远镜——欧洲特大望远镜(ELT),该望远镜目前正在智利建造。
 
即使里卡多成功地领导了VLT的发展,他也开始相信毫米波天文学应该是欧洲研究的下一个主要方向。美国通过国家射电天文台(NRAO)也一直主张在这一波长建立一个主要设施。在里卡尔多的领导下,ESO与NRAO合作建立了后来成为ALMA的世界上最大的地面天文设施。
 
在1999年离开ESO后,里卡多成为联合大学(AUI)的主席,联合大学是NRAO的管理机构,也是ALMA建设和运营的北美主管。他在一个动荡不安的时期担任AUI的领导职务,并在塑造ALMA项目的同时,提出了让NRAO在射电天文学领域发挥主导作用的愿景。
 
里卡尔多在NRAO创立了许多他在早期x光事业中发展起来的相同概念,然后在STScI和ESO得到了完善。NRAO在建造ALMA(与ESO和日本合作)的同时,能够同时扩展已经是世界前沿的超大阵列无线电天文台。里卡尔多还在为ALMA建立治理结构方面发挥了领导作用,这是一个真正的全球性合作,没有一个国家或地区负责。里卡尔多为美国国家科学基金会(National Science Foundation)正式代表北美人在阿尔玛的利益,但他对科学的愿景贯穿了整个项目,阿尔玛的成功堪比哈勃、钱德拉和VLT。
 
里卡尔多于2004年从AUI退休,但作为约翰霍普金斯大学的一名教授,他多年来一直活跃于研究和思考天文学的未来需求。
 
里卡尔多在总结自己非凡的职业生涯时说:
 
“我很感激生活在这个天文学的英雄时代,能够参与并为天文学的发展做出贡献。”
 
我们很感激他也这么做了。
 
 
 
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