“人形计算机”+“变星狂魔” 她揭开了宇宙的重要奥秘

2021年04月08日 10:38 次阅读 稿源:新浪科技 条评论

人们过去一度认为,银河系是宇宙中唯一的星系。但亨丽爱塔·勒维特仅仅通过一条简单的定律,就彻底改变了这种错误认知。在这一过程中,她甚至连一台望远镜都没用到。一个世纪以前,宇宙似乎比如今要小得多。当时许多天文学家都相信,我们所在的银河系便是整个宇宙。

来源:BBC

撰文:Leila McNeill

翻译:叶子

但在1923年,天文学家埃德温·哈勃在加州威尔逊山天文台将望远镜对准了遥远夜空中一个模糊而明亮的螺旋形天体——仙女座星云时,这种看法从此便被彻底推倒了。

勒维特在研究中不曾用过一台望远镜。相反,她只用了一枚放大镜,而且对准的并不是天空,而是一片镶嵌在木框中的纤薄的玻璃。玻璃的一面涂有感光剂,白色的表面上可以隐约看出无数黑色的斑斑点点,这便是裸眼观察到的夜空的反转片。勒维特就是通过这种方法感知宇宙的。

勒维特是19世纪末到20世纪初之间在哈佛大学天文台工作的众多“人形计算机”之一。这支团队全部由女性构成,她们总共发现了数十颗新星、星云与小行星,以及成千上万颗“变星”(亮度会发生周期性变化的恒星)。勒维特本人就发现了超过2000颗变星,被称作“变星狂魔”。而在搜寻恒星的过程中,她还获得了一项更重要的回报:她找到了太空中距离的测量方法——周光关系。

船尾座RS是银河系中最亮的造父变星之一,由哈勃空间望远镜拍摄

船尾座RS是银河系中最亮的造父变星之一,由哈勃空间望远镜拍摄

利用周光关系,天文学家得以对星际尺度上的距离开展测量,哈勃也获得了观察宇宙更深处所需的公式。“她的发现彻底改变了我们对宇宙的认知。”芝加哥大学天文学家与天体物理学家温迪·弗里德曼指出。

勒维特在大四那年对天文学产生兴趣后,于1895年成为了哈佛大学天文台的一名“学徒”,那年她27岁。据历史学家玛格丽特·罗西特指出,当时有越来越多的女性像勒维特一样获得了较高的学历。然而,她们中的大多数仍然被排除在大学教职与领导层之外。但天文学系非常喜欢接收这些女性,让她们来支持自己的“重大科学项目”,因为这些项目需要用到大量廉价劳动力。

勒维特当时为哈佛天文台主任爱德华·皮克林所雇。彼时皮克林正在主持开展一项长达数十年的项目:拍摄夜空照片,然后对恒星光谱进行分类。

根据19世纪的性别角色论,女性是从事这种分类工作的理想人物,因为她们既耐心又细心。而男性则被认为更适合担任领导角色,以及从事观察和理论分析等需要智力的工作。

像勒维特这样的岗位一般收入和地位都很低,几乎没有晋升空间。在这样的岗位上,女性可以充分发挥自己的“女性特色”技能,并且无论是从声望还是薪酬上,都不会对男性同事造成威胁。

皮克林在聘用女性时,心里的确是这么想的。他在1898年的哈佛天文台年报中写道:“为使效率最大化,优秀的观察员永远不该把时间浪费在可以由薪水低得多的助手完成的工作上。”他付给这些计算员的时薪为25美分,相当于每年1500美元,而当时天文台的男性员工年薪最低也有2500美元。

除了在勒维特次年加入哈佛天文台的安妮·坎农之外,计算员们是不允许使用望远镜的,只有男性才能调整这些设备、拍摄恒星照片。拍摄完成后,这些感光玻璃片再被送到天文台东侧二层的“计算间”,进行下一步分析和计算。

在这个房间里,女性计算员们日复一日地俯身在这些玻璃片前,对恒星光谱进行分类,测算它们的亮度,然后将计算结果归纳汇总。这项工作繁重无比,又枯燥乏味。

勒维特入职后分到的任务是,仅用感光玻璃片确定北极区域变星的星等(即恒星亮度)。这些恒星的光芒之所以会波动,原因之一是因为它们会发生脉动,即规律性地压缩和释放气体。为判断某颗恒星是否属于变星,勒维特需要将同一片星空的两张玻璃片重叠在一起,其中一张为负片(背景为白色,恒星为黑色),另一张为正片。普通恒星会在重叠后相互抵消,只有亮度会变化的恒星会显露出来。勒维特当时尚不知情,但在恒星的变化规律及整体星等中,其实隐藏着能够帮助我们测出其到地球距离的奥秘。

通过恒星与恒星之间、感光片与感光片之间的比较,勒维特会对恒星亮度做出判断,将其与其它已知恒星的星等进行对比,然后把结果记录下来,再一次又一次地重复这一过程,勒维特在哈佛天文台的日子就是这样度过的。

一年后,勒维特离开了哈佛天文台、前往欧洲旅行。归来后,她在家乡附近的威斯康辛伯洛伊特学院谋到了一份艺术助教的职位。但最终,她还是被恒星召唤回到了天文学领域。

勒维特没有留下任何日记,信件也以公事为主,很少透露个人细节。不过,她显然在天文台的工作中投入了大量心力。据一名天文学家描述,她“对工作的着迷程度堪称罕见”。在离开天文台六年后,她向皮克林表达了自己是多么热爱和怀念之前的工作。她在1902年5月13日的一封信中写道:“假如这些我怀着无比的喜悦、开展到了一定程度的工作最终没能完成,我简直无法描述自己有多么遗憾。”

勒维特十分盼望能重回天文学领域,并询问皮克林能否让她回到天文台就职、或在学校担任一名天文学教师。不过,她从事教职的希望并不大,因为她的听力正在逐年变差。医生也不允许她在寒冷的夜间观察星空,因为医生认为寒冷会加剧耳聋。皮克林对这种“天文学会影响听力”的看法感到迷惑,但又没有位于温暖地区的天文台愿意接收勒维特,因此皮克林给她开了30美分的时薪,让她重回哈佛天文台。勒维特接受了这份工作,于1903年重新成为了哈佛天文台的全职计算员。

银河系中心造父变星(红点)的图解

银河系中心造父变星(红点)的图解

她又重新拾起了自己在变星方面的工作。皮克林对搜寻星云区域中的变星很感兴趣,并于1903年获得了卡内基研究所提供的一笔资金。但到了1904年,卡内基研究所停止了这笔资助。哈佛天文台的高级计算员威廉敏娜·弗莱明不得不遣散所有计算员,只留下了勒维特一人。勒维特只得独自接管了这项工作,而她的第一项任务便是猎户座大星云。

这片小麦哲伦云的感光玻璃片上留有勒维特的笔记

这片小麦哲伦云的感光玻璃片上留有勒维特的笔记

她翻看了过去十年来针对猎户座大星云拍摄的感光片,在其中发现了77颗新变星。接下来,她又将目光转向了射手座星云和小麦哲伦云。1905年夏天,《科学美国人》在一篇报道中介绍道,“勒维特小姐”自1904年2月开始独立开展星云研究工作起,已经发现了1300颗新的变星。

这张勒维特的照片摄于1910年前后

这张勒维特的照片摄于1910年前后

整个1908年,勒维特一直小麦哲伦云与大麦哲伦云中搜寻变星。(当时天文学家们还不知道二者都是围绕银河系转动的小型矮星系。)她在其中一共发现了1777颗新变星,并计算出了它们的最小与最大亮度。

就在这时,她发现了一个独特的规律。在给16颗新变星分类后,她注意到恒星亮度越高,完成一次亮度变化周期的时间就越长。

尽管这一观测结果对后世造成了深远影响,但勒维特当时并没在这上面琢磨太久,也没去细想它的意义。她把表格上交之后,就因病休假了一年。她在报告中对这一发现的描述也只有寥寥数语:“值得注意的是……越亮的变星周期越长。”

勒维特病愈后,在天文台的工作任务也有所变动。但在这段时间里,她仍对麦哲伦云中的变星念念不忘。在发表首次报告的三年后,她又重新将目光对准了小麦哲伦云。

尽管勒维特并不知道感光片上的恒星到地球的确切距离,但她知道,这些恒星都是小麦哲伦云的一部分,因此都差不多一样遥远。她据此做出了一项十分重要的推论:恒星的视星等变化与距离没有关系,亮度更高的恒星并非因为距地球更近才显得更加明亮,而是因为它们本来就亮。为验证这一猜测,她又将另外八颗恒星的完整变化周期绘制成图表,得出的结论依然与三年前相同:恒星越亮,周期越长。

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大麦哲伦云

这一次,她的报告得到了皮克林的注意。几个月后,他于1912年3月3日发表了勒维特关于亮度与周期之间“惊人联系”的观测结果。这种联系就此变成了一条“定律”,名叫“周光关系”。

膨胀的宇宙

从遗留下来的记录来看,勒维特并未针对这条定律发表过任何理论。但许多人代她完成了这项工作。天文学家逐渐意识到,有了这条定律,他们就可以测量出遥远的恒星到地球的距离了。

当时,天文学家的测距能力存在上限。假如所有恒星都完全相同,他们就可以通过观测到的恒星亮度算出与地球之间的距离。但恒星的实际光度存在差别。对于离地球较近的恒星,他们可以采用“恒星视差法”等技术,通过比较恒星的相对运动来测算距离。但在一定距离之外,这种方法就派不上用场了。

勒维特发现的这些变星(名为“造父变星”)可以通过光变周期推算出它们的真实光度,不受地球上观测到的亮度影响。因此,假如某个遥远星系中含有一颗造父变星,天文学家便可以此作为“标准烛光”(即天文学中已知光度的天体),据此计算出该星系到地球的距离。

这种计算方法名叫“宇宙距离阶梯”,需要分几步进行。首先,天文学家要找到一颗距地球足够近、可以使用恒星视差法的标准烛光天体,计算出它到地球的距离及亮度。接下来,假如更远处的标准烛光天体拥有与前者相同的光度变化规律,天文学家便可据此推算出它到地球的距离。

在勒维特发表该定律的十年后,哈勃将望远镜对准了仙女座星系。在朦胧的云雾之中,他看见了一根“蜡烛”,闪烁着明亮的光芒。发现这颗造父变星之后,他利用勒维特定律,成功计算出了仙女座到地球的距离,以此证明了仙女座位于银河系之外、且距离银河系相当遥远。不久之后,他又用同样的方法测算出了23个星系到地球的距离,其中有些距地球足有2000万光年之遥。在勒维特定律的基础之上,哈勃还于1929年发现,宇宙正在不断膨胀。

“一百多年来,勒维特定律已经成为了我们测量星系距离的基础。”弗里德曼表示,“在此之前,我们对夜空的认知一直是二维的。而勒维特定律使这幅二维图像首次变成了三维图像。我们从此可以真正测出第三个维度,即恒星到地球的距离有多远。”

弗里德曼在工作中也高度依赖勒维特的造父变星。在哈勃空间望远镜于1990年发射之前,天文学家虽然已经知道宇宙在不断扩张,但并不知道宇宙的确切大小或年龄。对此,勒维特的研究又一次提供了解决方案。弗里德曼之前带领的一个项目就利用了哈勃空间望远镜和造父变星进行测量,使得精确率大幅度提高。

有了精确测量变星距离的能力,弗里德曼的团队成功终结了数十年来针对宇宙年龄的讨论。“我们发现,宇宙年龄为137亿年。”

勒维特还没来得及了解自己的发现对天文学的重要性,就早早过世了

勒维特还没来得及了解自己的发现对天文学的重要性,就早早过世了

勒维特定律的优雅之处在于它的简洁——星等越亮,周期越长。该定律彻底改变了天文学家观察宇宙的方式。不幸的是,勒维特还没来得及了解自己发现的重要性,就早早死于胃癌。“她于1921年逝世,而哈勃于1923年发现了仙女座中的造父变星,又在1929年发现了宇宙的扩张。这着实令人难过。”弗里德曼表示,“她从来不知道自己的工作有着多么重大的意义。”

虽然勒维特在世时没能见证自己对天文学做出的改变,但后人从未忘记过她。天文学家塞西莉亚·佩恩-加波施金曾于1923年使用过勒维特的办公桌。她是这样评价这位素未谋面的女性的:“我认为她是(哈佛)所有女性中最卓越的一位。”

在不断扩张的宇宙中,勒维特的“标准烛光”的光芒仍在不断照亮天文学家前进的路途。为表示对她的尊敬,弗里德曼等众多天文学界人士于2008年发起投票,将此前使用的“周光关系”一词更名为“勒维特定律”。

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