揭開宇宙重要奧秘的「變星狂魔」

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,她甚至連一台望遠鏡都沒用到。

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台、將望遠鏡對准了遙遠夜空中一個模糊而明亮的螺旋形天體——仙女座星雲時,這種看法從此便被徹底推翻了。

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這張勒維特的照片攝於1910年前後

勒維特在研究中不曾用過一台望遠鏡。相反,她只用了一枚放大鏡,而且對準的並不是天空,而是一片鑲嵌在木框中的纖薄的玻璃。玻璃的一面塗有感光劑,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台工作的眾多「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、星雲與小行星,以及成千上萬顆「變星」(亮度會發生周期性變化的恆星)。勒維特本人就發現了超過2000顆變星,被稱作「變星狂魔」。而在搜尋恆星的過程中,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後,於1895年成為了哈佛大學天文台的一名「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。

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圖為天文學家愛德華•皮克林與哈佛天文台的計算員們

勒維特當時為哈佛天文台主任愛德華•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,然後對恆星光譜進行分類。

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,並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,心里的確是這麼想的。他在1898年的哈佛天文台年報中寫道:「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,相當於每年1500美元,而當時天文台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台的安妮•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、拍攝恆星照片。拍攝完成後,這些感光玻璃片再被送到天文台東側二層的「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,對恆星光譜進行分類,測算它們的亮度,然後將計算結果歸納匯總。這項工作繁重無比,又枯燥乏味。

勒維特入職後分到的任務是,僅用感光玻璃片確定北極區域變星的星等(即恆星亮度)。這些恆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。為判斷某顆恆星是否屬於變星,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,恆星為黑色),另一張為正片。普通恆星會在重疊後相互抵消,只有亮度會變化的恆星會顯露出來。勒維特當時尚不知情,但在恆星的變化規律及整體星等中,其實隱藏着能夠幫助我們測出其到地球距離的奧秘。

通過恆星與恆星之間、感光片與感光片之間的比較,勒維特會對恆星亮度做出判斷,將其與其它已知恆星的星等進行對比,然後把結果記錄下來,再一次又一次地重復這一過程,勒維特在哈佛天文台的日子就是這樣度過的。

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勒維特(右)與安妮•坎農(左)的合影。後者是唯一獲准使用哈佛天文台望遠鏡的女性

一年後,勒維特離開了哈佛天文台、前往歐洲旅行。歸來後,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,她還是被恆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,她顯然在天文台的工作中投入了大量心力。據一名天文學家描述,她「對工作的着迷程度堪稱罕見」。在離開天文台六年後,她向皮克林表達了自己是多麼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:「假如這些我懷着無比的喜悅、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麼遺憾。」

勒維特十分盼望能重回天文學領域,並詢問皮克林能否讓她回到天文台就職、或在學校擔任一名天文學教師。不過,她從事教職的希望並不大,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,但又沒有位於溫暖地區的天文台願意接收勒維特,因此皮克林給她開了30美分的時薪,讓她重回哈佛天文台。勒維特接受了這份工作,於1903年重新成為了哈佛天文台的全職計算員。

她又重新拾起了自己在變星方面的工作。皮克林對搜尋星雲區域中的變星很感興趣,並於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。哈佛天文台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雲。

她翻看了過去十年來針對獵戶座大星雲拍攝的感光片,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雲和小麥哲倫雲。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月開始獨立開展星雲研究工作起,已經發現了1300顆新的變星。

整個1908年,勒維特一直小麥哲倫雲與大麥哲倫雲中搜尋變星。(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,並計算出了它們的最小與最大亮度。

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這片小麥哲倫雲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顆新變星分類後,她注意到恆星亮度越高,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後世造成了深遠影響,但勒維特當時並沒在這上面琢磨太久,也沒去細想它的意義。她把表格上交之後,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。」

勒維特病癒後,在天文台的工作任務也有所變動。但在這段時間里,她仍對麥哲倫雲中的變星念念不忘。在發表首次報告的三年後,她又重新將目光對准了小麥哲倫雲。

盡管勒維特並不知道感光片上的恆星到地球的確切距離,但她知道,這些恆星都是小麥哲倫雲的一部分,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:恆星的視星等變化與距離沒有關系,亮度更高的恆星並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,她又將另外八顆恆星的完整變化周期繪製成圖表,得出的結論依然與三年前相同:恆星越亮,周期越長。

這一次,她的報告得到了皮克林的注意。幾個月後,他於1912年3月3日發表了勒維特關於亮度與周期之間「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,勒維特並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恆星到地球的距離了。

當時,天文學家的測距能力存在上限。假如所有恆星都完全相同,他們就可以通過觀測到的恆星亮度算出與地球之間的距離。但恆星的實際光度存在差別。對於離地球較近的恆星,他們可以採用「恆星視差法」等技術,通過比較恆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「標准燭光」(即天文學中已知光度的天體),據此計算出該星繫到地球的距離。

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、可以使用恆星視差法的標准燭光天體,計算出它到地球的距離及亮度。接下來,假如更遠處的標准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後,哈勃將望遠鏡對准了仙女座星系。在朦朧的雲霧之中,他看見了一根「蠟燭」,閃爍着明亮的光芒。發現這顆造父變星之後,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於銀河系之外、且距離銀河系相當遙遠。不久之後,他又用同樣的方法測算出了23個星繫到地球的距離,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,哈勃還於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,即恆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。在哈勃空間望遠鏡於1990年發射之前,天文學家雖然已經知道宇宙在不斷擴張,但並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。」

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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於它的簡潔——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,就早早死於胃癌。「她於1921年逝世,而哈勃於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。這着實令人難過。」弗里德曼表示,「她從來不知道自己的工作有着多麼重大的意義。」

雖然勒維特在世時沒能見證自己對天文學做出的改變,但後人從未忘記過她。天文學家塞西莉亞•佩恩-加波施金曾於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「標准燭光」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於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」。(葉子)

來源:cnBeta