揭開宇宙重要奧秘的 “變星狂魔”

2021/4/7 10:03:10 來源:新浪科技 作者:葉子 責編:遠洋

北京時間 4 月 7 日消息,人們過去一度認為,銀河系是宇宙中唯一的星系。但亨麗愛塔?勒維特僅僅通過一條簡單的定律,就徹底改變了這種錯誤認知。在這一過程中,她甚至連一臺望遠鏡都沒用到。

一個世紀以前,宇宙似乎比如今要小得多。當時許多天文學家都相信,我們所在的銀河系便是整個宇宙。但在 1923 年,天文學家埃德溫?哈勃在加州威爾遜山天文臺、將望遠鏡對準了遙遠夜空中一個模糊而明亮的螺旋形天體 —— 仙女座星云時,這種看法從此便被徹底推翻了。

這張勒維特的照片攝于 1910 年前后

勒維特在研究中不曾用過一臺望遠鏡。相反,她只用了一枚放大鏡,而且對準的并不是天空,而是一片鑲嵌在木框中的纖薄的玻璃。玻璃的一面涂有感光劑,白色的表面上可以隱約看出無數黑色的斑斑點點,這便是裸眼觀察到的夜空的反轉片。勒維特就是通過這種方法感知宇宙的。

勒維特是 19 世紀末到 20 世紀初之間在哈佛大學天文臺工作的眾多“人形計算機”之一。這支團隊全部由女性構成,她們總共發現了數十顆新星、星云與小行星,以及成千上萬顆“變星”(亮度會發生周期性變化的恒星)。勒維特本人就發現了超過 2000 顆變星,被稱作“變星狂魔”。而在搜尋恒星的過程中,她還獲得了一項更重要的回報:她找到了太空中距離的測量方法 —— 周光關系。

利用周光關系,天文學家得以對星際尺度上的距離開展測量,哈勃也獲得了觀察宇宙更深處所需的公式。“她的發現徹底改變了我們對宇宙的認知。”芝加哥大學天文學家與天體物理學家溫迪?弗里德曼指出。

勒維特在大四那年對天文學產生興趣后,于 1895 年成為了哈佛大學天文臺的一名“學徒”,那年她 27 歲。據歷史學家瑪格麗特?羅西特指出,當時有越來越多的女性像勒維特一樣獲得了較高的學歷。然而,她們中的大多數仍然被排除在大學教職與領導層之外。但天文學系非常喜歡接收這些女性,讓她們來支持自己的“重大科學項目”,因為這些項目需要用到大量廉價勞動力。

圖為天文學家愛德華?皮克林與哈佛天文臺的計算員們

勒維特當時為哈佛天文臺主任愛德華?皮克林所雇。彼時皮克林正在主持開展一項長達數十年的項目:拍攝夜空照片,然后對恒星光譜進行分類。

根據 19 世紀的性別角色論,女性是從事這種分類工作的理想人物,因為她們既耐心又細心。而男性則被認為更適合擔任領導角色,以及從事觀察和理論分析等需要智力的工作。

像勒維特這樣的崗位一般收入和地位都很低,幾乎沒有晉升空間。在這樣的崗位上,女性可以充分發揮自己的“女性特色”技能,并且無論是從聲望還是薪酬上,都不會對男性同事造成威脅。

皮克林在聘用女性時,心里的確是這么想的。他在 1898 年的哈佛天文臺年報中寫道:“為使效率最大化,優秀的觀察員永遠不該把時間浪費在可以由薪水低得多的助手完成的工作上。”他付給這些計算員的時薪為 25 美分,相當于每年 1500 美元,而當時天文臺的男性員工年薪最低也有 2500 美元。

除了在勒維特次年加入哈佛天文臺的安妮?坎農之外,計算員們是不允許使用望遠鏡的,只有男性才能調整這些設備、拍攝恒星照片。拍攝完成后,這些感光玻璃片再被送到天文臺東側二層的“計算間”,進行下一步分析和計算。

在這個房間里,女性計算員們日復一日地俯身在這些玻璃片前,對恒星光譜進行分類,測算它們的亮度,然后將計算結果歸納匯總。這項工作繁重無比,又枯燥乏味。

勒維特入職后分到的任務是,僅用感光玻璃片確定北極區域變星的星等(即恒星亮度)。這些恒星的光芒之所以會波動,原因之一是因為它們會發生脈動,即規律性地壓縮和釋放氣體。為判斷某顆恒星是否屬于變星,勒維特需要將同一片星空的兩張玻璃片重疊在一起,其中一張為負片(背景為白色,恒星為黑色),另一張為正片。普通恒星會在重疊后相互抵消,只有亮度會變化的恒星會顯露出來。勒維特當時尚不知情,但在恒星的變化規律及整體星等中,其實隱藏著能夠幫助我們測出其到地球距離的奧秘。

通過恒星與恒星之間、感光片與感光片之間的比較,勒維特會對恒星亮度做出判斷,將其與其它已知恒星的星等進行對比,然后把結果記錄下來,再一次又一次地重復這一過程,勒維特在哈佛天文臺的日子就是這樣度過的。

勒維特(右)與安妮?坎農(左)的合影。后者是唯一獲準使用哈佛天文臺望遠鏡的女性

一年后,勒維特離開了哈佛天文臺、前往歐洲旅行。歸來后,她在家鄉附近的威斯康辛伯洛伊特學院謀到了一份藝術助教的職位。但最終,她還是被恒星召喚回到了天文學領域。

勒維特沒有留下任何日記,信件也以公事為主,很少透露個人細節。不過,她顯然在天文臺的工作中投入了大量心力。據一名天文學家描述,她“對工作的著迷程度堪稱罕見”。在離開天文臺六年后,她向皮克林表達了自己是多么熱愛和懷念之前的工作。她在 1902 年 5 月 13 日的一封信中寫道:“假如這些我懷著無比的喜悅、開展到了一定程度的工作最終沒能完成,我簡直無法描述自己有多么遺憾。”

勒維特十分盼望能重回天文學領域,并詢問皮克林能否讓她回到天文臺就職、或在學校擔任一名天文學教師。不過,她從事教職的希望并不大,因為她的聽力正在逐年變差。醫生也不允許她在寒冷的夜間觀察星空,因為醫生認為寒冷會加劇耳聾。皮克林對這種“天文學會影響聽力”的看法感到迷惑,但又沒有位于溫暖地區的天文臺愿意接收勒維特,因此皮克林給她開了 30 美分的時薪,讓她重回哈佛天文臺。勒維特接受了這份工作,于 1903 年重新成為了哈佛天文臺的全職計算員。

她又重新拾起了自己在變星方面的工作。皮克林對搜尋星云區域中的變星很感興趣,并于 1903 年獲得了卡內基研究所提供的一筆資金。但到了 1904 年,卡內基研究所停止了這筆資助。哈佛天文臺的高級計算員威廉敏娜?弗萊明不得不遣散所有計算員,只留下了勒維特一人。勒維特只得獨自接管了這項工作,而她的第一項任務便是獵戶座大星云。

她翻看了過去十年來針對獵戶座大星云拍攝的感光片,在其中發現了 77 顆新變星。接下來,她又將目光轉向了射手座星云和小麥哲倫云。1905 年夏天,《科學美國人》在一篇報道中介紹道,“勒維特小姐”自 1904 年 2 月開始獨立開展星云研究工作起,已經發現了 1300 顆新的變星。

整個 1908 年,勒維特一直小麥哲倫云與大麥哲倫云中搜尋變星。(當時天文學家們還不知道二者都是圍繞銀河系轉動的小型矮星系。)她在其中一共發現了 1777 顆新變星,并計算出了它們的最小與最大亮度。

這片小麥哲倫云的感光玻璃片上留有勒維特的筆記

就在這時,她發現了一個獨特的規律。在給 16 顆新變星分類后,她注意到恒星亮度越高,完成一次亮度變化周期的時間就越長。

盡管這一觀測結果對后世造成了深遠影響,但勒維特當時并沒在這上面琢磨太久,也沒去細想它的意義。她把表格上交之后,就因病休假了一年。她在報告中對這一發現的描述也只有寥寥數語:“值得注意的是…… 越亮的變星周期越長。”

勒維特病愈后,在天文臺的工作任務也有所變動。但在這段時間里,她仍對麥哲倫云中的變星念念不忘。在發表首次報告的三年后,她又重新將目光對準了小麥哲倫云。

盡管勒維特并不知道感光片上的恒星到地球的確切距離,但她知道,這些恒星都是小麥哲倫云的一部分,因此都差不多一樣遙遠。她據此做出了一項十分重要的推論:恒星的視星等變化與距離沒有關系,亮度更高的恒星并非因為距地球更近才顯得更加明亮,而是因為它們本來就亮。為驗證這一猜測,她又將另外八顆恒星的完整變化周期繪制成圖表,得出的結論依然與三年前相同:恒星越亮,周期越長。

這一次,她的報告得到了皮克林的注意。幾個月后,他于 1912 年 3 月 3 日發表了勒維特關于亮度與周期之間“驚人聯系”的觀測結果。這種聯系就此變成了一條“定律”,名叫“周光關系”。

膨脹的宇宙

從遺留下來的記錄來看,勒維特并未針對這條定律發表過任何理論。但許多人代她完成了這項工作。天文學家逐漸意識到,有了這條定律,他們就可以測量出遙遠的恒星到地球的距離了。

圖為用望遠鏡看到的大麥哲倫云

當時,天文學家的測距能力存在上限。假如所有恒星都完全相同,他們就可以通過觀測到的恒星亮度算出與地球之間的距離。但恒星的實際光度存在差別。對于離地球較近的恒星,他們可以采用“恒星視差法”等技術,通過比較恒星的相對運動來測算距離。但在一定距離之外,這種方法就派不上用場了。

勒維特發現的這些變星(名為“造父變星”)可以通過光變周期推算出它們的真實光度,不受地球上觀測到的亮度影響。因此,假如某個遙遠星系中含有一顆造父變星,天文學家便可以此作為“標準燭光”(即天文學中已知光度的天體),據此計算出該星系到地球的距離。

這種計算方法名叫“宇宙距離階梯”,需要分幾步進行。首先,天文學家要找到一顆距地球足夠近、可以使用恒星視差法的標準燭光天體,計算出它到地球的距離及亮度。接下來,假如更遠處的標準燭光天體擁有與前者相同的光度變化規律,天文學家便可據此推算出它到地球的距離。

在勒維特發表該定律的十年后,哈勃將望遠鏡對準了仙女座星系。在朦朧的云霧之中,他看見了一根“蠟燭”,閃爍著明亮的光芒。發現這顆造父變星之后,他利用勒維特定律,成功計算出了仙女座到地球的距離,以此證明了仙女座位于銀河系之外、且距離銀河系相當遙遠。不久之后,他又用同樣的方法測算出了 23 個星系到地球的距離,其中有些距地球足有 2000 萬光年之遙。在勒維特定律的基礎之上,哈勃還于 1929 年發現,宇宙正在不斷膨脹。

“一百多年來,勒維特定律已經成為了我們測量星系距離的基礎。”弗里德曼表示,“在此之前,我們對夜空的認知一直是二維的。而勒維特定律使這幅二維圖像首次變成了三維圖像。我們從此可以真正測出第三個維度,即恒星到地球的距離有多遠。”

弗里德曼在工作中也高度依賴勒維特的造父變星。在哈勃空間望遠鏡于 1990 年發射之前,天文學家雖然已經知道宇宙在不斷擴張,但并不知道宇宙的確切大小或年齡。對此,勒維特的研究又一次提供了解決方案。弗里德曼之前帶領的一個項目就利用了哈勃空間望遠鏡和造父變星進行測量,使得精確率大幅度提高。

有了精確測量變星距離的能力,弗里德曼的團隊成功終結了數十年來針對宇宙年齡的討論。“我們發現,宇宙年齡為 137 億年。”

勒維特還沒來得及了解自己的發現對天文學的重要性,就早早過世了

勒維特定律的優雅之處在于它的簡潔 —— 星等越亮,周期越長。該定律徹底改變了天文學家觀察宇宙的方式。不幸的是,勒維特還沒來得及了解自己發現的重要性,就早早死于胃癌。“她于 1921 年逝世,而哈勃于 1923 年發現了仙女座中的造父變星,又在 1929 年發現了宇宙的擴張。這著實令人難過。”弗里德曼表示,“她從來不知道自己的工作有著多么重大的意義。”

雖然勒維特在世時沒能見證自己對天文學做出的改變,但后人從未忘記過她。天文學家塞西莉亞?佩恩 - 加波施金曾于 1923 年使用過勒維特的辦公桌。她是這樣評價這位素未謀面的女性的:“我認為她是(哈佛)所有女性中最卓越的一位。”

在不斷擴張的宇宙中,勒維特的“標準燭光”的光芒仍在不斷照亮天文學家前進的路途。為表示對她的尊敬,弗里德曼等眾多天文學界人士于 2008 年發起投票,將此前使用的“周光關系”一詞更名為“勒維特定律”。

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關鍵詞:宇宙

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