寂靜的夜空：一位不該被遺忘的偉大女性天文學家！
原標題：寂靜的夜空：一位不該被遺忘的偉大女性天文學家！
授權轉自：原理
哲學園鳴謝
那些星系，距離我們多遠？
讓我們試著跳出太陽系、銀河系，想像那些散落在宇宙各個角落中的其它星系。在這些星系中，每一個都有上百萬、上億甚至上萬億顆的恆星。每一個恆星系統都有著自己獨特的歷史。
○ 19世紀中期，天文學家在夜空中觀測到了許多」螺旋星雲「，他們對這些天體的本質存在著分歧。| 圖片來源： ESO/P.Grobol
但是，在許多個世紀里，我們並不知道這些星系的真實本質：它們究竟是像銀河系一樣的星系，還是離我們很近的星雲？要知道在20世紀初，人們甚至還在認為宇宙中只有一個星系，那便是銀河系。而解開這個謎題的關鍵在於，我們需要去測量這些天體的距離。
對於像下圖所示的星系，你可能會認為這些天體本質上都是一樣的大小，因此那些看起來更小的星系離我們更遠。但事實卻並非總是如此：有些星系的質量和亮度是其他星系的數千倍，有些星系的大小則是其他星系的數倍之多，你無法僅僅通過簡單的觀察就知道一個星系究竟有多大或有多亮。
○ 中間最明顯的星系被稱為NGC7331，是一個無棒螺旋星系。| 圖片來源： Brian Combs
但是有一些技巧是我們可以用的。比如，如果我們能夠知道星系的某些內稟性質，或許就可以測量它們離我們有多遠。
想像一下，假如有一根已知本徵亮度的蠟燭（或者燈泡），如果你知道它發射出了多少光，並知道亮度隨著距離會如何減小，那麼你所需要做的就是測量蠟燭的可視亮度，這樣就能立即知道它距離你有多遠。
在天文學裡，這個方法被稱為標準燭光。其原理很簡單，如果你能夠測量一個天體的某些性質，通過這些性質得到本徵亮度，就可以算出它的距離。
○ 船尾座RS（RS Puppis），是一顆位於船尾座的造父變星。| 圖片來源：ESA/Hubble
舉個例子，如果有某種特定的恆星，它們的本徵亮度是可以被知道的，那麼我們所要做的就是測量這些恆星的可視亮度，然後就可以計算出它們離我們有多遠。現在，我們雖然已經有了許多可以測量天體距離的方法，但它們利用的都是同樣的方式：找到天體的某些容易被觀測到的性質跟本徵亮度之間的關聯。
第一個發現存在這種關聯的人正是亨麗愛塔·斯萬·勒維特（Henrietta Swan Leavitt）。
○ Henrietta Swan Leavitt。| 圖片來源：Harvard College Observatory
哈佛計算員
1868年7月4日，勒維特出生於美國馬薩諸塞州。她相繼在俄亥俄州歐柏林大學和拉德克利夫學院求學。之後，她自願成為了哈佛大學天文台的研究助理，並於1907在哈佛天文台的主任皮克林（Edward Pickering）的指導下被正式聘用。在他長達幾十年的終身任職期間，皮克林錄用過許多女性天文學家，這些人被稱為「哈佛計算員」，專門負責一項那些男性天文學家不願從事的冗長而乏味的工作——分析照相底片，並且她們被給予的報酬非常低。
○ Leavitt和其他的女性計算員。| 圖片來源：Harvard College Observatory
勒維特的任務是通過這些底片分析恆星的亮度；為了做比較，她通常會將一個底片放置在另一個底片上，觀察恆星是如何在曝光之間改變亮度的。她研究了距離銀河系20萬光年外的小麥哲倫星雲中的成千上萬顆恆星。她從1890年代拍攝的照相底片中分類出了1777顆變星（即那些亮度會隨時間變化的恆星），而其中的25顆徹底改變了天文學。勒維特並不只是簡單的測量了這些恆星的亮度、顏色等性質的變化；她還注意到了其中一些恆星的亮度會呈周期性的、極有規律的變化。
○ 1908年，勒維特的論文發表在了哈佛天文台的年報。| 圖片來源：Harvard College Observatory
此外，她還將這些變星和我們銀河系中的一顆名為造父一的變星（造父變星的原型）相聯繫。造父一是一顆明亮的藍色恆星，並且已知它的亮度會呈周期性變化。
她從這25顆造父變星中發現的是每一顆恆星的周期（從最亮到最暗再到最亮所需的時間）和恆星本徵亮度之間的關係。
○ 造父變星的亮度會隨著它們內部的氦氣的加熱並膨脹、再在一個反饋迴路中冷卻並收縮而變化。這種脈動的周期與恆星的本徵亮度或光度密切相關。| 圖片來源：[2]
勒維特的這個發現瞬間使天文學家有了一把衡量遙遠天體距離的尺子，成為了測量恆星和星系的強有力工具。對於當時的天文學家而言，這對於理解宇宙的大小和演化是至關重要的一步。
後來我們知道，勒維特的研究直接導致了天體物理學史上兩個最令人驚訝和重要的發現。
○ 造父變星的光度和脈動周期有著非常強的關係，是可靠且重要的標準燭光。| 圖片來源：NASA/JPL
站在巨人的肩膀上
數年後，天文學家哈勃利用胡克望遠鏡對仙女座星系進行拍攝，尋找著造父變星。（當時，天文學家並不知道仙女座星系究竟是一個遠離我們的獨立星系，還是在銀河系內的「螺旋星雲」。為此，著名的天文學家Harlow Shapley和Heber Curtis還進行了一場大辯論。）經歷了不知多少個夜晚，終於，他在1923年的十月找到了一顆，它就閃爍在仙女座星系的其中一個螺旋臂上，被稱為造父變星V1。又歷經了一個星期的觀測，他利用造父變星的周期和光度間的關係（被稱為勒維特定律）計算出了造父變星V1的距離。
○ 圖中顯示的是哈勃太空望遠鏡拍攝到的造父變星V1和哈勃在1923拍攝到的對比，時間相隔約90年。| 圖片來源：NASA/ESA/Hubble Heritage Team
這顆恆星被稱之為「宇宙學史上最重要的一顆恆星」。從V1發出的光讓一切事物都變得明朗了：仙女座星系的確在銀河系之外。銀河系不再是整個宇宙，它只不過是浩瀚宇宙中眾多星系的一員。
○ 此圖顯示在七個月的期間內，造父變星V1的星光呈節奏性的上升和下降。圖中所示，V1會在每31.4天內完成一次增亮與變暗的脈動周期。| 圖片來源：NASA，ESA & Z. Levay（STScI）
無疑，勒維特的工作是無與倫比的，正是因為她的發現，我們才得以真正的開始探索宇宙，而不僅限於研究銀河系內的恆星和星雲。
之後，哈勃利用造父變星的周期和光度的關係證明了宇宙並不是靜態的，而是正在膨脹！到了上個世紀九十年代末期，天文學家在這項工作的基礎上，更是發現了宇宙不僅在膨脹，而且還在加速膨脹！而導致加速的幕後推手是至今仍然困惑著科學家的「暗能量」。
勒維特的發現至今仍被天文學家廣泛使用。例如，哈勃太空望遠鏡在2018年1月公布的最新結果[1]正是基於勒維特定律，試圖從最近的宇宙學觀測中揭示新的物理學。
1925年，瑞典科學院的數學家哥斯塔·米塔-列夫勒在得知她的工作後認為她值得獲得諾貝爾獎。他在給勒維特的信中寫道：
尊敬的勒維特小姐，
我的朋友兼同事烏普薩拉的von Zeipel教授告訴加了我關於你對小麥哲倫星雲的S. 造父變星的星等與周期長度之間的關係的發現，該經驗定律令我印象極為深刻，我非常想要提名你獲得1926年的諾貝爾物理學獎，儘管我必須承認我對這件事的了解還不完整。
不幸的是，這封信來得太晚，勒維特在1921年便已經因癌症去世。
○ 勒維特的工作在當時並沒有受到最公允的對待。今天，有許多努力都在試圖讓更多的人知道勒維特的事迹。這其中包括Dava Sobel的著作《玻璃宇宙：哈佛天文台的女性如何測量恆星》，書中涵蓋了勒維特以及其他「哈佛計算員」的故事；此外，勒維特和她的女同事也是劇作家Lauren Gunderson譜寫的《Silent Sky》的主角。| 圖片來源：圖片來源：SILENT SKY
今天，是勒維特是150周歲的誕辰。我們需要記住的是，她在最艱苦的境遇中（個人的不幸以及社會的不公平對待），依然對探索宇宙充滿了熱情。下次，當我們抬頭仰望星空時，不要忘了亨麗愛塔·斯萬·勒維特這個名字，一位偉大的天文學家。是她的工作以及非凡的洞察力，塑造了我們今天的宇宙觀。
參考來源：
[1] http://hubblesite.org/news_release/news/2018-12
[2] http://www.atnf.csiro.au/outreach/education/senior/astrophysics/variable_cepheids.html
[3] http://silentskyplay.tumblr.com
[4] https://www.cfa.harvard.edu/news/fe201809
TAG:哲學園 |