图:佚名(公有领域)
亨丽爱塔·勒维特
Henrietta Swan Leavitt1868–1921 · 生于美国马萨诸塞州兰开斯特 · 美国
时薪三十美分的「计算员」,给了人类第一把量宇宙的尺子
「值得注意的是,在这张图上,较亮的变星周期也较长。」
—— 《小麦哲伦云中 25 颗变星的周期》,哈佛天文台通报第 173 号(1912),据英文原文意译
她做的活,落在天文学最老也最硬的那个问题上:星星离我们多远?
一颗星看上去暗,可能因为它本身暗,也可能因为它远。两者无法从亮度本身区分开。三角视差能解决几百光年以内的恒星,再远,地球轨道的基线就不够用了。
十九世纪末,人类能测量的宇宙半径大约几百光年。银河系有多大、旋涡星云是银河系里的气体云还是遥远的独立星系,全都无从判断。
哈佛的「计算员」
1893 年,二十五岁的勒维特以志愿者身份进入哈佛天文台。
台长皮克林雇了一批女性做玻璃底片的测量与分类工作,人称「哈佛计算员」。她们不许操作望远镜,工作是在灯下逐张检查底片,记录每颗星的位置与亮度。薪水按小时算,低于同等工作的男性。勒维特 1902 年转为正式雇员时,时薪三十美分——因为工作出色,比其他人略高。
她在 1895 年的一场重病后听力严重受损,此后终生耳聋。
皮克林分派给她的任务是找变星:把同一片天区在不同时间拍的底片叠在一起比对,找出亮度变化的星。她一生找到了两千四百多颗变星,约占当时已知总数的一半。
一张图上的规律
她重点研究的是小麦哲伦云——南天的一片恒星集合。
关键在于:这片云里的所有星,到我们的距离大体相同。因此它们的视亮度差异反映的就是真实亮度差异,不掺距离的因素。这个条件在别处不成立,在这里成立。
1908 年她注意到一件事并写进了报告:那些看起来更亮的变星,脉动周期也更长。
1912 年那份报告里,她把 25 颗造父变星排成一张周期-亮度图。点几乎落在同一条直线上,散得极小。
换句话说:只要数清它明暗一轮要多久,就知道它本身有多亮。
于是任何一颗造父变星都成了一支「标准烛光」。测出它的周期,就知道它本该多亮;再看它实际上多亮;两者一比,距离就出来了。距离不再受限于视差,可以一直伸到能分辨出单颗造父变星的地方。
那篇通报署名皮克林,文中注明「由勒维特小姐编制」。
十七年内的三次跨越
第二年,赫茨普龙拿几颗近处造父变星的视差做了定标——她量出的是相对亮度,经这一步才换成绝对值。她的尺子从此有了刻度。
接下来发生的事情很快。
1918 年,沙普利用造父变星测出球状星团的分布,发现太阳并不在银河系中心,而在离中心两万多光年的边缘。人类的位置第二次被挪开。
1923 年,哈勃在威尔逊山用一百英寸望远镜,在仙女座星云里分辨出了一颗造父变星。测出周期,算出距离:约一百万光年——远超银河系的尺度。旋涡星云是独立的星系,宇宙比人们以为的大了无数倍。
1929 年哈勃再把这批距离与红移并置,宇宙在膨胀成了可测的事实。
从勒维特 1912 年那张图,到宇宙在膨胀,十七年。
1925 年的一封信
1925 年,瑞典科学院的米塔-列夫勒写信到哈佛,说他打算提名勒维特为诺贝尔物理学奖候选人,请求提供她工作的详情。
回信告诉他,勒维特已于 1921 年因胃癌去世,年仅五十三岁。诺贝尔奖不追授。
沙普利后来说过一句常被引用的话:勒维特的发现是天文学史上最有成果的一项。哈勃本人在多个场合表示,如果有人该为这套距离尺度得奖,那是勒维特。
今天造父变星仍是宇宙距离阶梯的第一级——哈勃太空望远镜的关键项目、以及今天关于哈勃常数究竟是 67 还是 73 的那场争论,用的都还是她 1912 年画出的那条直线。
代表方程
造父变星的周光关系
一颗造父变星的真实亮度只由它的脉动周期决定。测出周期就知道它本该多亮,与看上去多亮一比,距离就出来了——这是人类第一把能伸出银河系的尺子。
距离模数
视亮度与真实亮度之差换算成距离。有了周光关系提供的「真实亮度」,这个式子才第一次能用在遥远天体上。
伟大发现
出处
正文所据的原始文献与可靠二手材料。带链接的可直接查看原文。
- 1.勒维特与皮克林《小麦哲伦云中 25 颗变星的周期》,哈佛天文台通报第 173 号(1912)
- 2.哈勃《河外星云距离与径向速度之间的一个关系》,《美国科学院院刊》第 15 卷第 168 页(1929)——建立在周光关系之上
- 3.勒梅特 1927 年论文的英译,《皇家天文学会月报》第 91 卷第 483 页(1931)