我們都很熟悉門捷列夫元素周期表中規則排列的眾多元素，卻很少想到從氫、碳到鐵，這些元素其實都來自遙遠宇宙中的星塵。而第一次系統地確定出從碳到鐵之間大部分元素起源之奧秘的人，就包括20世紀天文學界的風雲人物——瑪格麗特·伯比奇（Margaret Burbidge）。2019年8月，伯比奇度過了自己的100歲生日。那麼，這位傳奇人物是如何從一個為滿天繁星著迷的小女孩成長為破解恆星元素奧秘的天文學家的呢？
撰文 | 王善欽
瑪格麗特·伯比奇（Eleanor Margaret Peachey Burbidge, 1919-）是20世紀天文學界的風雲人物。她既有過硬的計算能力，又有超強的觀測能力，文能用手推方程，武能用鏡測光譜；她是有資格獲得諾貝爾獎卻被諾貝爾獎評委錯過的人物之一；她也是還在世的最偉大的天文學家之一。
在60多年的職業生涯中，瑪格麗特活躍在多個天文學領域：她與合作者一起破解恆星內部化學元素產生之謎，成為恆星元素合成理論的核心人物之一；她測出多個星系的旋轉曲線，成為暗物質研究的先驅之一；她觀測大量類星體的光譜，成為那個時代類星體觀測領域的權威之一；她精通光譜儀結構，是哈勃太空望遠鏡（HST）「暗天體光譜儀」的共同負責人之一。
2019年8月12日，瑪格麗特度過了她的100歲生日。在這篇文章裡，我們帶領讀者了解這位天文學界傳奇人物的百年人生，領略著名天文學家魯賓（Vera Rubin，1928-2016）所說的同時擁有「光輝、原創性、努力、優雅」的一代宗師的迷人風採。
瑪格麗特·伯比奇 | 來源：Annie Gracy
被星空迷住的小女孩
1919年8月12日，埃莉諾·瑪格麗特·皮奇（Eleanor Margaret Peachey）出生於英國西北部的達文波特（Davenport），父親是曼徹斯特技術學校的化學講師，母親曾經是父親的學生。瑪格麗特說，當年她母親被大學錄取之後，外祖父一度不希望自己的女兒去讀大學，他認為女性就應該在家當主婦，而且自己的女兒風採迷人，找一個好丈夫是很容易的。瑪格麗特母親所在學校的老師特意去做了這位父親的思想工作。外祖父雖然有點不情願，還是把女兒送進了大學。
瑪格麗特的父親與母親於1916年結婚，然後在3年後生下了瑪格麗特。母親性格堅毅，熱愛自然科學且富有科學天賦。瑪格麗特在後來寫的自傳中說，母親的決斷力、對成功的渴望、對自然科學的熱愛，都遺傳給了她。不僅如此，母親把自己的優雅與迷人也遺傳給了女兒。
瑪格麗特兩歲時，父親因在橡膠技術方面的專利而獲得了幾筆高昂的專利費，辭去教職，搬到倫敦。在她四歲那年的夏天，父母帶著她前往法國。輪船在英吉利海峽行駛，站在甲板上仰望天空的瑪格麗特第一次被夜空中的點點繁星深深迷住了。當時的她不會想到，她將成為破解這些星星奧秘的一位關鍵人物。
瑪格麗特的父母與外祖父都進一步培養了她對天文的興趣。父母為她訂閱了《孩童之報》，這份周報每次出版時都有一份內頁，裡面描寫星星的位置與月亮的圓缺變化，這使她從非常小時就開始感受天文現象背後的某種規律，而不是僅僅停留在現象層面。瑪格麗特12歲時，外祖父給她買了一本由著名天文學家金斯爵士（Sir James Hopwood Jeans，1877-1946）所寫的天文科普書籍，這本書讓她第一次知道星星有多遙遠。那一刻起，她決定將來去測出那些星星的距離。
中學時期，瑪格麗特在一個女子學校度過，學習物理、化學、植物學、數學、法語、拉丁文與一些德語，並開始做學科實驗，因為成績優異，她在中學的最後一年被倫敦大學學院錄取。
大學時光
1936年，17歲的瑪格麗特進入倫敦大學學院，此前她的父親已經病逝。大學期間，她系統而深入地學習了天文、物理、化學、數學。當時倫敦大學有個天文臺，即倫敦大學天文臺，位於倫敦郊外的的米爾山上，裡面有一個61釐米口徑的反射望遠鏡，和一個46釐米口徑的折射望遠鏡。瑪格麗特學習操作望遠鏡和照相設備，用61釐米望遠鏡觀測恆星。與此同時，她學習雙星軌道的計算方法等理論知識。
倫敦大學天文臺 | 來源：Wikipedia commons
測量天體的兩個最主要途徑是測光與測譜。測光，只需要讓星光經過濾光片，曝光幾分鐘左右，得到光點就可以。測譜，需要讓星光經過儀器的狹縫，然後經過特製的儀器，後者將狹窄的光帶分解為各種「顏色」的光，形成寬得多的光帶，我們可以將其比喻為彩虹帶，但它卻比我們看到的彩虹的顏色更精細得多。這樣的「彩虹帶」就是「光譜」，將星光分解為光譜的儀器就是「光譜儀」。將光譜儀與望遠鏡連接，就可以採集星光並將星光分解為光譜。瑪格麗特的工作之一就是致力於獲取恆星的光譜，以研究它們大氣的化學成分。
太陽光經過光譜儀之後，被分解為彩色光帶，圖中的暗線(夫琅和費譜線)是因為太陽熾熱的內核中的一些元素髮出的連續光譜被溫度較低的太陽大氣中的同類元素吸收而導致的。通過分析暗線的波長，可以判斷出太陽大氣中含有哪些元素。|來源：Wikipedia commons
黑暗的夜晚，在寒冷的天文臺圓頂下方，她讓星光進入光譜儀的狹縫，遙遠的星光分解為美麗的彩虹帶——光譜，她注視著那些光譜，那是她兒時的夢。從此，光譜研究一直伴隨著她，僅有幾次短暫的間斷。
第一次間斷是在她大學畢業後，那是1939年夏天。她決定先找個工作。經人介紹，她來到一家計算公司當計算員，用對數表與手搖計算器計算各種東西。上了一天班之後，她發現自己不適合公司交際，當天下午下班時就辭職了。這種果斷性格在她此後的職業生涯中也時常表現出來。
幾周之後，瑪格麗特加入了她母親工作的單位，負責監測德軍的空襲——此時戰爭雖然尚未爆發，但已迫在眉睫了。事實上，因為戰爭的威脅，瑪格麗特畢業那年，學校舉辦的畢業典禮都比以前簡單得多。當時她母親的工作沒有薪水，但戰爭的威脅激發了英國人的愛國熱情，包括瑪格麗特母親在內的大量英國人無怨無悔地投入到這樣的無薪工作之中。
二戰時期：星光閃耀，彈片紛飛
1939年9月3日，德國對英國開戰。戰爭期間，倫敦大學天文臺的天文學家被派遣到部隊的不同部門。瑪格麗特被派遣去值守位於郊區的倫敦大學天文臺，那裡受到的空襲相對較少。在這裡，她繼續用望遠鏡觀測恆星的位置，確定它們的距離，並觀測星星的光譜。
倫敦大學天文臺裡面的一臺折射望遠鏡，建於1860年或者此後幾年內。這是這個天文臺最古老的望遠鏡。它看上去已經不小，但在專業級別的望遠鏡中，確實算小的。| 來源：Wikipedia
1940年開始，瑪格麗特開始博士論文課題研究。她白天在天文臺附近種蔬菜，晚上在天文臺裡用望遠鏡看星星，居然在戰爭期間過上了世外桃源一般的生活。1943年，她獲得了博士學位。之後，她繼續在天文臺觀測。那時候，對觀測的最大威脅是德國空軍的炸彈。儘管郊區被轟炸的次數相對少，但並不是沒有。
1944年8月3日夜，炸彈在離天文臺很近的地方爆炸，劇烈的震動導致望遠鏡偏移，星星離開了鏡頭。普通人遇到這種情況，肯定趕緊找個安全的地方臥倒。但瑪格麗特沒有——她毫不畏懼，調整望遠鏡之後，繼續觀測。第二次觀測剛開始，第二顆炸彈在稍遠的地方再次爆炸，這次爆炸造成的望遠鏡偏移比較小，星星還在鏡頭裡，只是光譜儀的狹縫偏移了一點，她再次調整後，繼續觀測。她在觀測日記中記下了連續兩次的炸彈轟炸對觀測的影響。
在1944年8月3日的觀測之後，瑪格麗特記錄下來的觀測日記，裡面提到了兩次在天文臺附近爆炸的炸彈導致觀測中斷。| 來源：University College London Observatory
這個時期的瑪格麗特，在戰火中以視死如歸的姿態觀測星光，做天文做到「一不怕苦，二不怕死」，這世界上也沒多少人了。她自己也如同一顆新星冉冉升起，雖然她的光芒尚未被更多人注意到。
遭遇性別歧視
1945年，戰爭結束。瑪格麗特成為了觀測助理。為獲得更好的望遠鏡與更暗的夜空，她決定尋找其他地方的職位。1947年，她看到了美國卡耐基研究院的招聘廣告，決定寫信求職。卡耐基研究院是鋼鐵大王卡耐基（Andrew Carnegie，1835-1919）出資贊助成立的，負責管理威爾遜天文臺等科研機構。
瑪格麗特認為自己雖然還沒有發表論文，但自己的學習成績與觀測經驗會讓自己在申請時具有優勢。然而，她收到的是卡耐基研究院的拒絕信。拒絕的理由是：得到這個職位的人要去威爾遜天文臺觀測，而威爾遜天文臺只允許男性去觀測，所以不接受女性申請者。
這是她第一次感受到嚴重的職業歧視。瑪格麗特回憶說，這次遇挫，使她形成一個信念：當一個人被堵住道路時，一定要找另外的路，讓自己達到目的。
從歐洲到北美
1947年秋，瑪格麗特認識了來自布里斯托大學的傑弗瑞·雷納德·伯比奇（Geoffrey Ronald Burbidge），他比瑪格麗特小6歲。二人很快相戀，半年後就結了婚。婚後，瑪格麗特隨夫姓，從此改名為埃莉諾·瑪格麗特·皮奇·伯比奇（Eleanor Margaret Peachey Burbidge）。瑪格麗特一般把「埃莉諾」縮寫為E，省略原來姓氏，保留中間名瑪格麗特與丈夫的姓。
傑弗瑞研究宇宙線，涉及大量的複雜計算，因此夫妻倆買了一臺手搖計算機。這個機器在他們後來的多個工作中起到了重要作用。
1948年夏天，瑪格麗特與傑弗瑞到瑞士參加恆星光譜的會議，遇到了恆星天文領域的權威人物奧託·斯特魯維（Otto Struve，1897-1963）。斯特魯維出生於俄國的一個天文世家：他的曾祖父、祖父、伯父、父親、堂兄與他自己，四代人出了六個天文學家。他的曾祖父本是一個德國人，逃難到了俄國。
斯特魯維建議瑪格麗特與傑弗裡申請國際天文聯合會（IAU）的基金去美國從事天文研究。這是一個非常好的機會，因為斯特魯維當時在芝加哥大學，是芝加哥大學的葉凱士天文臺的臺長。這個天文臺擁有102釐米口徑的折射望遠鏡，是至今為止世界上最大的折射望遠鏡，比它大的都是反射望遠鏡。
葉凱士天文臺 | 來源：Jtakemann
此外，斯特魯維還曾經擔任芝加哥大學與得州大學奧斯汀分校共同管理的麥克唐納天文臺的臺長，當時依然是這個天文臺的名譽臺長。麥克唐納天文臺有一臺208釐米口徑的反射望遠鏡，是當時世界第二大的望遠鏡，為紀念斯特魯維的貢獻，這個望遠鏡後來被命名為「奧託·斯特魯維望遠鏡」。
麥克唐納天文臺208釐米口徑的望遠鏡。| 來源：Jason Quinn
斯特魯維已經向瑪格麗特與傑弗裡伸出了橄欖枝，但夫妻倆卻並沒有立即採納斯特魯維的建議，他們都希望先看看能否在歐洲找到職位。1949年，他們前往法國參加一個會議，在那裡使用的一臺2米口徑的望遠鏡與配套的光譜儀觀測恆星的光譜。
當時，霍伊爾（Fred Hoyle，1915-2001）正好在他們開會的會議廳隔壁的另一個會議廳，夫妻倆因此與霍伊爾認識，一見如故，成為至交，為他們後來的一個持續合作埋下了伏筆。
回到英國後，瑪格麗特與傑弗裡開始考慮斯特魯維的建議，然後於1950年成功申請到基金。1951年，瑪格麗特前往葉凱士天文臺，傑弗裡前往哈佛大學天文臺。
此時麥克唐納天文臺的臺長依然是芝加哥大學的天文學家柯伊伯（Gerard Kuiper，1905-1973）。因此，在芝加哥大學的兩年期間，瑪格麗特使用兩個天文臺的望遠鏡與光譜儀，研究恆星與星系的光譜。
探索恆星內部的奧秘
因為籤證到期，瑪格麗特與丈夫於1953年回到英國，應霍伊爾之邀，到劍橋大學的卡文迪許實驗室訪問，與霍伊爾合作。1954年，福勒（William Alfred Fowler，1911-1995）從加州理工學院來卡文迪許實驗室做核物理實驗，也與霍伊爾合作，並很快認識了瑪格麗特與傑弗裡。因此，以霍伊爾為紐帶，四人形成了一個愉快合作的小組。
他們四人合作的課題是：宇宙中的各種元素是如何形成的？在此之前，愛丁頓（Arthur Stanley Eddington，1882-1944）首先正式提出：恆星內部的聚變反應會合成多種元素。此後，霍伊爾、福勒、貝特（Hans Bethe，1906-2005）等人先後在這個基礎上發展了恆星內部核合成的理論。四人開始進行全面而深入的計算、分析與實驗。
威爾遜天文臺
1955年，傑弗裡拿到了卡耐基研究院的職位，前往威爾遜天文臺工作。福勒回到加州理工學院的實驗室，並為瑪格麗特提供了一個博士後位置，使她能在加州理工學院工作。
於是，瑪格麗特與傑弗裡在這一年第二次來到美國。威爾遜天文臺所在的威爾遜山在帕薩迪納市郊，與市內的加州理工學院很近。瑪格麗特來到加州理工學院時，這兩個機構已經構成合作關係。這使得加州理工學院的天文學家有資格去威爾遜天文臺觀測。
但威爾遜天文臺依然拒絕女性。事實上，因為禁止女性上山觀測，威爾遜天文臺上面的天文學家把這裡戲稱為「修道院」。瑪格麗特一開始女扮男裝，裝作傑弗裡的觀測助手，後來被發現了，面臨被驅逐下山的境況。加州理工學院與一些天文臺內的天文學家聲援瑪格麗特，威爾遜天文臺終於同意她上山觀測，不過前提是：夫妻倆繼續住在獨立的小平房內，而且要自己用車運輸生活必需品。
威爾遜天文臺裡面的254釐米口徑望遠鏡。| 來源：Ken Spencer
雖然沒有人阻止瑪格麗特在威爾遜山上觀測，但性別歧視依然給她帶來了壓力。夫妻倆不敢在天文臺的餐廳吃飯，每次都是帶走漢堡到其他地方吃。有一次，臺裡有人問原因，瑪格麗特回答說，聽說臺長規定不許女性在餐廳吃飯。對方大笑，然後說那是胡說。此後，瑪格麗特才敢進入餐廳用餐。
B^2FH論文
在加州理工學院時期，瑪格麗特與傑弗裡在學校與天文臺兩處來回跑，在觀測與理論兩個方面來回跳躍。他們用山上觀測到的恆星光譜來計算恆星內部的化學元素的含量，在山下的辦公室用手搖計算機計算恆星內可能發生的各類核反應的細節，而福勒則用實驗來驗證一些重要的核反應是否會發生。
傑弗裡（左）、瑪格麗特（中）與福勒（右）三人在黑板前討論合作的課題。|來源：Caltech Archives
從1955到1957年，又經過兩年的合作之後，瑪格麗特、傑弗裡、福勒、霍伊爾四人的論文終於在1957年10月發表。論文標題是《恆星中元素的合成》（Synthesis of the Elements in Stars）。
這篇長達108頁的論文被簡稱為B^2FH論文，其中B^2表示伯比奇夫婦（瑪格麗特與傑弗裡），F與H分別代表福勒與霍伊爾。這篇論文有三大支柱：霍伊爾此前的計算基礎、福勒在實驗室中觀測到的一些證據、瑪格麗特與傑弗裡在恆星光譜裡分析出的化學證據以及用手搖計算機計算出來的結果。
B^2FH論文計算了8種核反應過程，比如氫聚變為氦、氦聚變為碳到鐵之間的多種元素的平衡反應、恆星內部進行的「緩慢捕捉中子」的反應、恆星爆炸之後產生的「快速捕捉中子」的反應、鋰之類的元素的合成反應，等等。這篇文章中的大多數觀點此後迅速成為標準教科書裡的內容，流傳至今，依然正確。
1971年，為慶祝福勒（左起第三）60歲生日，瑪格麗特、傑弗裡與霍伊爾（最右）與福勒歡聚。| 來源：Master and Fellows of St John’s College / Cambridge / Donald Clayton
當然，B^2FH論文也有不正確的地方，比如，大部分氦、鋰與重元素並不在恆星內部產生。事實上，氫在宇宙大爆炸之後很短時間內合成，相當一部分鋰在新星爆發時產生，比鐵重的元素大多數在中子星與中子星或黑洞併合後產生。儘管有這些缺陷，這篇論文的正確部分依然遠遠超過錯誤的部分，因此具有裡程碑式的意義：它首次系統地確定出從碳到鐵之間的大部分元素的起源，也確定了比鐵更重的元素的部分來源。
在瑪格麗特兒時，她的最大願望是測出天上星星的距離，她並沒有實現這個願望；但她卻與合作者一起為恆星內部核合成理論做出了核心貢獻，成為破解恆星內部核反應秘密的最重要人物之一。這個理論告訴我們恆星內部元素如何產生並散播到太空中。
因為這篇論文，瑪格麗特與丈夫於1959年獲得海倫·華納天文獎。1983年，諾貝爾物理學獎的一半由瑪格麗特在芝加哥大學的同事錢德拉塞卡（Subrahmanyan Chandrasekhar，1910-1995）獲得，另外一半由瑪格麗特的合作者福勒獲得。霍伊爾、瑪格麗特與傑弗裡都錯過了。雖然如此，他們三個的貢獻卻並不比福勒小。
（未完待續）
作者簡介
王善欽，2018年獲得南京大學天文學博士學位，2016-2018年訪問加州大學伯克利分校，主要研究超新星爆發等現象，業餘也研究科學史。
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