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寂静的夜空:一位不该被遗忘的伟大天文学家

那些星系,距离我们多远?



让我们试着跳出太阳系、银河系,想象那些散落在宇宙各个角落中的其它星系。在这些星系中,每一个都有上百万、上亿甚至上万亿颗的恒星。每一个恒星系统都有着自己独特的历史。

○ 19世纪中期,天文学家在夜空中观测到了许多”螺旋星云“,他们对这些天体的本质存在着分歧。| 图片来源: ESO/P.Grobol


但是,在许多个世纪里,我们并不知道这些星系的真实本质:它们究竟是像银河系一样的星系,还是离我们很近的星云?要知道在20世纪初,人们甚至还在认为宇宙中只有一个星系,那便是银河系。而解开这个谜题的关键在于,我们需要去测量这些天体的距离


对于像下图所示的星系,你可能会认为这些天体本质上都是一样的大小,因此那些看起来更小的星系离我们更远。但事实却并非总是如此:有些星系的质量和亮度是其他星系的数千倍,有些星系的大小则是其他星系的数倍之多,你无法仅仅通过简单的观察就知道一个星系究竟有多大或有多亮

○ 中间最明显的星系被称为NGC7311,是一个无棒螺旋星系。| 图片来源: Brian Combs


但是有一些技巧是我们可以用的。比如,如果我们能够知道星系的某些内禀性质,或许就可以测量它们离我们有多远。


想象一下,假如有一根已知本征亮度的蜡烛(或者灯泡),如果你知道它发射出了多少光,并知道亮度随着距离会如何减小,那么你所需要做的就是测量蜡烛的可视亮度,这样就能立即知道它距离你有多远。


在天文学里,这个方法被称为标准烛光。其原理很简单,如果你能够测量一个天体的某些性质,通过这些性质得到本征亮度,就可以算出它的距离。


○ 船尾座RS(RS Puppis),是一颗位于船尾座的造父变星。| 图片来源:ESA/Hubble


举个例子,如果有某种特定的恒星,它们的本征亮度是可以被知道的,那么我们所要做的就是测量这些恒星的可视亮度,然后就可以计算出它们离我们有多远。现在,我们虽然已经有了许多可以测量天体距离的方法,但它们利用的都是同样的方式:找到天体的某些容易被观测到的性质跟本征亮度之间的关联


第一个发现存在这种关联的人正是亨丽爱塔·斯万·勒维特(Henrietta Swan Leavitt)


○ Henrietta Swan Leavitt。| 图片来源:Harvard College Observatory


哈佛计算员



1868年7月4日,勒维特出生于美国马萨诸塞州。她相继在俄亥俄州欧柏林大学和拉德克利夫学院求学。之后,她自愿成为了哈佛大学天文台的研究助理,并于1907在哈佛天文台的主任皮克林(Edward Pickering)的指导下被正式聘用。在他长达几十年的终身任职期间,皮克林录用过许多女性天文学家,这些人被称为“哈佛计算员”,专门负责一项那些男性天文学家不愿从事的冗长而乏味的工作——分析照相底片,并且她们被给予的报酬非常低。


○ Leavitt和其他的女性计算员。| 图片来源:Harvard College Observatory


勒维特的任务是通过这些底片分析恒星的亮度;为了做比较,她通常会将一个底片放置在另一个底片上,观察恒星是如何在曝光之间改变亮度的。她研究了距离银河系20万光年外的小麦哲伦星云中的成千上万颗恒星。她从1890年代拍摄的照相底片中分类出了1777颗变星(即那些亮度会随时间变化的恒星),而其中的25颗彻底改变了天文学勒维特并不只是简单的测量了这些恒星的亮度、颜色等性质的变化;她还注意到了其中一些恒星的亮度会呈周期性的、极有规律的变化


○ 1908年,勒维特的论文发表在了哈佛天文台的年报。| 图片来源:Harvard College Observatory


此外,她还将这些变星和我们银河系中的一颗名为造父一的变星造父变星的原型)相联系。造父一是一颗明亮的蓝色恒星,并且已知它的亮度会呈周期性变化。

她从这25颗造父变星中发现的是每一颗恒星的周期(从最亮到最暗再到最亮所需的时间)和恒星本征亮度之间的关系

○ 造父变星的亮度会随着它们内部的氦气的加热并膨胀、再在一个反馈回路中冷却并收缩而变化。这种脉动的周期与恒星的本征亮度或光度密切相关。| 图片来源:[2]


勒维特的这个发现瞬间使天文学家有了一把衡量遥远天体距离的尺子,成为了测量恒星和星系的强有力工具。对于当时的天文学家而言,这对于理解宇宙的大小和演化是至关重要的一步。


后来我们知道,勒维特的研究直接导致了天体物理学史上两个最令人惊讶和重要的发现。

○ 造父变星的光度和脉动周期有着非常强的关系,是可靠且重要的标准烛光。| 图片来源:NASA/JPL


站在巨人的肩膀上



数年后,天文学家哈勃利用胡克望远镜对仙女座星系进行拍摄,寻找着造父变星。(当时,天文学家并不知道仙女座星系究竟是一个远离我们的独立星系,还是在银河系内的“螺旋星云”。为此,著名的天文学家Harlow Shapley和Heber Curtis还进行了一场大辩论。)经历了不知多少个夜晚,终于,他在1923年的十月找到了一颗,它就闪烁在仙女座星系的其中一个螺旋臂上,被称为造父变星V1。又历经了一个星期的观测,他利用造父变星的周期和光度间的关系(被称为勒维特定律计算出了造父变星V1的距离。

○ 图中显示的是哈勃太空望远镜拍摄到的造父变星V1和哈勃在1923拍摄到的对比,时间相隔约90年。| 图片来源:NASA/ESA/Hubble Heritage Team


这颗恒星被称之为“宇宙学史上最重要的一颗恒星”。从V1发出的光让一切事物都变得明朗了:仙女座星系的确在银河系之外。银河系不再是整个宇宙,它只不过是浩瀚宇宙中众多星系的一员。


○ 此图显示在七个月的期间内,造父变星V1的星光呈节奏性的上升和下降。图中所示,V1会在每31.4天内完成一次增亮与变暗的脉动周期。| 图片来源:NASA,ESA & Z. Levay(STScI)


无疑,勒维特的工作是无与伦比的,正是因为她的发现,我们才得以真正的开始探索宇宙,而不仅限于研究银河系内的恒星和星云。


之后,哈勃利用造父变星的周期和光度的关系证明了宇宙并不是静态的,而是正在膨胀!到了上个世纪九十年代末期,天文学家在这项工作的基础上,更是发现了宇宙不仅在膨胀,而且还在加速膨胀!而导致加速的幕后推手是至今仍然困惑着科学家的“暗能量”。


勒维特的发现至今仍被天文学家广泛使用。例如,哈勃太空望远镜在2018年1月公布的最新结果[1]正是基于勒维特定律,试图从最近的宇宙学观测中揭示新的物理学。


1925年,瑞典科学院的数学家哥斯塔·米塔-列夫勒在得知她的工作后认为她值得获得诺贝尔奖。他在给勒维特的信中写道:


尊敬的勒维特小姐,


我的朋友兼同事乌普萨拉的von Zeipel教授告诉加了我关于你对小麦哲伦星云的S. 造父变星的星等与周期长度之间的关系的发现,该经验定律令我印象极为深刻,我非常想要提名你获得1926年的诺贝尔物理学奖,尽管我必须承认我对这件事的了解还不完整。


不幸的是,这封信来得太晚,勒维特在1921年便已经因癌症去世。

○ 勒维特的工作在当时并没有受到最公允的对待。今天,有许多努力都在试图让更多的人知道勒维特的事迹。这其中包括Dava Sobel的著作《玻璃宇宙:哈佛天文台的女性如何测量恒星》,书中涵盖了勒维特以及其他“哈佛计算员”的故事;此外,勒维特和她的女同事也是剧作家Lauren Gunderson谱写的《Silent Sky》的主角。| 图片来源:图片来源:SILENT SKY


今天,是勒维特是150周岁的诞辰。我们需要记住的是,她在最艰苦的境遇中(个人的不幸以及社会的不公平对待),依然对探索宇宙充满了热情。下次,当我们抬头仰望星空时,不要忘了亨丽爱塔·斯万·勒维特这个名字,一位伟大的天文学家。是她的工作以及非凡的洞察力,塑造了我们今天的宇宙观。


参考来源:

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