點亮燭光,用放大鏡找星星的女人,現代宇宙學之母:勒維特

2020-12-14 想法捕手

1920年4月26日,在紐約史密斯森自然歷史博物館,舉行了一場天文學歷史上赫赫有名的世紀大辯論。

辯題是「銀河系是不是宇宙的全部」。

這場辯論中的兩大主辯,一個是主張「銀河系就是全宇宙」的哈羅·沙普利(Harlow Shapley),一個是主張「銀河系只是宇宙一小部分」的希伯·道斯特·柯蒂斯(Heber Doust Curtis)。

他們爭論的焦點在於渦狀星雲到底為何物,是遙遠的另一個星系?還是飄蕩在銀河系裡的氣體雲?

雙方唇槍舌戰,各種針鋒相對的理論與數據層出不窮,如同天文學的世紀大匯報。

然而,最後誰也無法說服對方,因為沒人能回答渦狀星雲與我們的距離到底是多少。

仙女座裡的變星

直到1924年,在威爾遜山天文臺工作的哈勃在仙女座大星雲M31中找到了一顆明亮的「造父變星」,才測出M31至少距離我們上百萬光年,第一次證明了河外星系的存在,終結了4年前的那場世紀辯論。

為什麼找到「造父變星」就能測出星系與我們的距離?

這就不得不提到一個終生與病魔抗爭的失聰者;一個在男權社會中沉默寡言的悲情人物;一個拿著微薄工資卻開創了一門新學科,養活了成千上萬名博士生的本科生;一位名叫亨麗愛塔·勒維特(Henrietta Swan Leavitt)的女天文學家。

亨麗愛塔·勒維特

一次不幸的畢業旅行,一生的失聰與病痛。

1892年,勒維特畢業於七姐妹學院之一的拉德克利夫女子學院(Radcliffe College)。

而在她滿心歡喜的畢業旅行中,24歲的勒維特卻遭遇了人生中最大的一次變故。

一場突如其來的大病損傷了她的視力與聽力,也摧毀了她活潑開朗的少女性格。

病後她的視力雖然得到了好轉,但聽力卻每況愈下,最終失聰。

面對變故,成長於牧師家庭的勒維特,只得尋求信仰的庇護,將疾病帶來的苦痛慢慢沉澱,然後毅然決定繼續攻讀天文學碩士學位。

第二年,便跟隨她的導師愛德華·查爾斯·皮克林(Edward Charles Pickering)來到了哈佛大學天文臺(1877年-1919年)工作與學習,成為了一名「計算員」。

哈佛天文臺,攝於1899年

所謂的計算員,實際就是充當人肉計算機的作用,每天處理大量枯燥乏味的數據,運算、檢驗、核實。

但頑疾纏身的勒維特時常生病,不得不頻繁請假,這讓她的科研工作一團亂麻。可能是意識到自己將無法完成學業,1896年勒維特選擇了放棄,主動離開了哈佛大學天文臺,一走6年。

在這6年裡,即便她擁有不錯的學歷、聰明的頭腦,但在一個男權主導的社會,勒維特舉步維艱,更充分感受到了作為一個失聰者的生存壓力。

1902年,她不得不寫信給皮克林,希望能再次回到哈佛大學天文臺,只為獲得一份能維持生計的工作:每小時30美分的工資(男性工資的一半)。

這個沉默、冷靜、專注的學生,曾給皮克林留下過深刻的印象,於是同意了她的請求。但她糟糕的身體狀況,讓皮克林十分擔心她會影響團隊的工作進度,所以並沒有讓她參與當時恆星分類這樣的團隊工作,而是讓她獨自一人去研究「變星」(variable star)這個冷門領域。

所謂變星,其實是恆星中的異類,其最大的特點就是光亮的變化。造父變星、新星、超新星都屬於變星。

在20世紀初,變星問題屬於當時無人敢踏足的科學荒原,沒有任何理論基礎,只有一堆繁雜的數據,以及印滿斑點的玻璃底片。

在變星中最為特殊的就是「造父變星」(Cepheid)。

之所以稱為「造父」其實是源於中國古代天文學的命名。

在中國古代,天文學一直是很發達的,就新星的識別和命名來說,長期領跑全球。所以「造父」這個名字早已有之。

給發現的新星命名是一個藝術活,而藝術源於生活。

造父是西周時有名的車夫,是如今的趙姓先祖。

此人善御,據《史記》記載:「穆王使造父御,西巡狩,見西王母,樂之忘歸。而徐偃王反,穆王日馳千裡馬,攻徐偃王,大破之。」

可見此人既能上天見得了西王母,又對君王有功,當然就能留名了。

而英籍荷蘭天文學家約翰·古德利克(John Goodricke)第一次發現的有光變周期的恆星正是這顆造父一,也是西方的仙王座δ(Cepheus)。此後這類變星就都被稱為造父變星,英文名:Cepheid。

船尾座RS是銀河系中最亮的造父變星之一

這類恆星無論光變周期長短,總是先亮後暗,然後再亮。

之所以如此,是因為這類恆星大都走到了生命盡頭,核心處氫消耗殆盡,開始聚變其他元素,內部壓力變得不穩定,由此導致了恆星大氣層就像火山一樣有了積蓄、膨脹、爆發、冷卻的周期變化。

靜默無聲的開掛技能,找變星的高手。

要研究這些造父變星,第一步當然是要先識別它,而識別它的關鍵就是發現其是否具有周期性光亮變化,而要發現變化,就必須反覆在大量觀測數據中找尋、對比、核實。

在那個沒有計算機的年代,僅靠人力,這確實是一件極其考驗耐心與專注的工作。

不過可能由於失聰,勒維特的專注力變得更為驚人,可以一連七八個小時的投入到拿著放大鏡找星星的遊戲中。

僅過了一年多時間,勒維特把這份數星星的工作做得有聲有色,堪比找茬的「最強大腦」。

從1904年開始,勒維特以驚人的速度在麥哲倫雲中不斷發現新的造父變星。

她找得實在太快,以至於有天文學家專門致信皮克林:「勒維特小姐是尋找變星的高手。我們甚至來不及記錄她的新發現。」

1908年,勒維特將自己在麥哲倫雲中找到的總共1777顆造父變星進行了整理,並作為論文發表在了《哈佛天文臺年鑑》上。

而在這之前的100多年時間裡,人們找到的造父變星不過才區區幾十顆。也就是說,她一人完成了百年時間內所有天文學家上百倍不止的變星識別工作。

這驚人的數量對比,引起了天文學界的轟動。

但勒維特論文中真正有價值的並不是她發現的變星數量,而是最後對其的總結。

勒維特挑選了16顆位於小麥哲倫雲中的造父變星,並為它們列出了一個光變周期與亮度的對比關係表,隨手留下了一條評論:「這值得關注,變星越亮則其光變周期就越長。」

照亮宇宙的「標準燭光」。

從1908年開始,勒維特開始特別關注造父變星,並完善她的發現。

然而不久後,她再一次病倒,直到1911年秋才回到哈佛。

第二年,勒維特將之前在小麥哲倫雲中挑選的16顆造父變星增加到了25顆,並把它們畫在了一張以周期(對數)為X軸,以亮度為Y軸的圖上。勒維特驚訝地發現它們排列成為了標準的直線,由此斷定「造父變星的亮度與其光變周期成正比」

兩條直線上分別是變星的最大和最小亮度

這就是造父變星的「周光關係」,也被稱為「勒維特定律」。

這句看似平淡無奇的話,不亞於哈勃定律:「星系距離我們越遠,退行速度越快,且退行速度與距離成正比。」

勒維特為天文學發現了一把「量天尺」,讓天文學家能夠運用「標準燭光」來測量遙遠的星系。

標準燭光測距的基本原理,源於我們日常生活中的一個簡單常識。同樣一根蠟燭,從不同的距離上來看總是近亮遠暗,而且亮度減弱與距離成平方反比關係。

因為宇宙是一個三維立體空間,任何一點的光源都是以球面向四面八方傳播,因此一個穩定光源射出的光子數,必定隨著距離的增加,以平面反比的關係消減。也就是說距離增加一倍,亮度減少為原來的1/4。這和引力的衰退方式一樣,其本質是宇宙的大空間結構。

在勒維特發現造父變星的秘密之前,我們很難確定一顆耀眼的星星到底是因為離我們近而耀眼,還是其本身比其他星星更亮。

所以說,勒維特的發現是天文學的一個歷史性突破。

因為勒維特挑選的造父變星全都位於小麥哲倫雲內,因此可近似認為它們與地球的距離都相等。那麼只要可見亮度相等,它們的實際亮度就一定相等。

而造父變星的實際亮度與其光變周期成正比。這意味著,只要光變周期完全相同,它們的實際亮度就完全相同。

就這樣,造父變星成為了天文學歷史上發現的第一種標準燭光。(雖然我們現在有了更為精準的la型超新星作為標準燭光)

在勒維特的造父變星周光關係公布一年後,埃希納·赫茨普龍(Ejnar Hertzsprung)第一個用視差法確定了「造父一」的距離——890光年,相當於為勒維特發現的「量天尺」刻上了第一個刻度。

1921年,當世紀大辯論中的沙普利繼任哈佛大學天文臺臺長時,勒維特才被提拔為恆星光譜部門的負責人,而至此她依然是一個本科學歷,拿著每小時30美分的「計算員」。

也就在這一年,勒維特再次病倒了,這次是致命的癌症。

在雙12的一個雨夜中,勒維特離世,留給了她母親只夠買8條地毯,價值315美元的遺產。

去世後,勒維特被葬進了家族墓地之中,沒有自己單獨的墓碑。她的名字與十幾個親戚的名字擠在一起。

勒維特之墓

就這樣,勒維特結束了作為「計算員」的一生,生前從未得到天文學家的待遇。

因為在那個時代,她僅僅是用筆和紙進行大量冗長計算工作的「計算員」,並以一個女性的身份,拿著放大鏡在玻璃底片上找星星,而不是透過望遠鏡。

直到1925年,一位瑞典科學院的院士寫信給哈佛大學天文臺,打算提名勒維特為諾貝爾物理學獎候選人,才從沙普利嘴中得知勒維特已經去世4年了,而諾貝爾獎永遠不會頒給去世的人。

相關焦點

  • 人物|平鄉二中校長王贊嶺:用生命點亮不滅的燭光
    用生命點亮不滅的燭光——追記平鄉縣第二中學校長王贊嶺王贊嶺。(資料片)平鄉縣教育局供圖校園裡的鮮花開了,他卻再也看不到了。網絡上,數萬名網友追思、悼念,為他點亮燭光。情灑校園,為教育耗盡心力1986年,王贊嶺走上講臺,成了一名中學物理老師。34年來,他始終奮戰在教學一線,起早貪黑、精益求精,是同事們眼裡的「工作狂人」。1999年,王贊嶺確診患有小細胞肺癌。
  • 超弦宇宙學
    宇宙學本身就建立在廣義相對論的基礎上,沒有時空彎曲概念,現代宇宙學是不可能的。宇宙學還檢驗了輕元素的合成理論,對中微子的種類和質量給出限制。如何利用宇宙學檢驗超出廣義相對論的理論以及超出粒子物理標準模型的理論,就成為過去幾十年宇宙學家以及粒子物理學家共同的研究課題。
  • 類星體宇宙學距離:光學幹涉測量
    幾千年來,從古老的最高智慧到現代最精密的儀器和設備都始終為回答這些帶有明顯哲學性質的自然科學命題付出著無限的熱情和努力:正當快要接近答案時,它卻又戲劇般地飄然而去,其中充滿了從渴望、絕望到興奮的螺旋式循環。本地測量與從微波背景得到宇宙膨脹率是兩條完全不同的觀測宇宙學之路。在這個令人激動的「精確宇宙學時代」,它們沒有殊途同歸,卻乍現「哈勃常數危機」的嚴峻挑戰。這是黎明前的黑暗嗎?
  • ...Stellantis源於拉丁語動詞「Stello」,意思是「用星星點亮」。
    兩家公司表示,Stellantis源於拉丁語動詞「Stello」,意思是「用星星點亮」。兩家公司表示,Stellantis源於拉丁語動詞「Stello」,意思是「用星星點亮」。
  • 【今日高新區】這家企業用愛點亮「燭光」,幫扶高新區貧困學生
    據了解,「高宏燭光行動希望點亮孩子心裡的那盞燈,去照亮更多的人。9月10日,由福建省希望工程辦公室、福建省青少年發展基金會、高宏教育集團聯合主辦的2020年「福建省希望工程園丁獎」頒獎儀式,來自三明、南平、龍巖、寧德等我省欠發達地區的20名優秀希望小學和鄉村小學教師榮獲2020年「福建省希望工程園丁獎」,他們長期紮根於鄉村小學教育,忠於黨的教育事業,助力脫貧攻堅,愛崗敬業,教書育人,用愛點燃希望,用知識阻斷貧困代際傳遞,堅守在農村教學第一線,展現了我省優秀農村教師無私奉獻
  • 用星星之火點亮浩蕩前路!看清華大學、電子科大、海南大學的幫扶...
    原標題:用星星之火點亮浩蕩前路!看清華大學、電子科大、海南大學的幫扶故事 | 我的2020·教育脫貧攻堅微視頻接力⑪學生們課間出行,需橫跨公路,存在安全隱患,他們想盡一切辦法,為孩子們搭建起安全之橋。清華大學充分發揮科教優勢,調動校內外資源,面向南澗紮實開展了教育、醫療、人才智力、產業、黨建等多個重點扶貧項目,促進南澗縣脫貧攻堅工作和經濟社會發展。2019 年4月,南澗縣成功實現提前一年達到脫貧摘帽標準的目標。
  • ...Stellantis源於拉丁語動詞「Stello」,意思是「用星星點亮...
    兩家公司表示,Stellantis源於拉丁語動詞「Stello」,意思是「用星星點亮」。 聲明:FX168財經報社僅提供交易相關數據及資訊參考,由此帶來的投資風險由交易者自行承擔。
  • 物理學的困頓:宇宙學心臟上的黑暗虛空
    (文/ Stephen Battersby)對於我們的眼睛來說,星星即是宇宙。但是它的方程極其複雜,可調節的參數多到讓人發悚。如果把一套複雜的參數代入方程,比如真實宇宙中質量和能量紛繁複雜的分布細節,整套方程就會變得無法求解。為了建立一個有效的宇宙學模型,我們做了一些簡化假設。最主要的假設被稱為哥白尼原理,即我們所處的位置並無任何特殊之處。宇宙在任何地方看起來都應該差不多是一樣的——事實上,當我們在足夠大的尺度上放眼望去,物質分布確實是相當均勻的。
  • 宇宙學需要哲學嗎?
    從霍金(Stephen Hawking)提出的「哲學已死」,到溫伯格(Steven Weinberg)在《終極理論之夢》(1992年)中的長篇聲討——「反對哲學」,許多物理學家和天體物理學家認為哲學是無用的,或者至少對科學是無用的。
  • 宇宙學「基本悖論」的三種樣式
    一種宇宙學常數項是愛因斯坦定義的,他在宇宙引力的場方程中引入了一個常數項,由於該常數項的功能是抵消宇宙物質引力的塌縮作用,整個宇宙得以維持了愛因斯坦和其它宇宙學家所期待的恆穩態、或靜止態。宇宙的和諧和穩定被古希臘和現代哲學家認為是宇宙的重要法則,一些宗教宇宙學家和神職人員甚至認為上帝的和諧和穩定確保了宇宙的恆定和完美,或者上帝與宇宙的和諧和穩定符合哲學完美論論的「等效原理」。
  • 用藝術「點亮」星星 果味VC音樂會助力自閉症兒童藝術教育
    2019年6月,果味VC樂隊成為金羽翼點亮星星計劃公益大使,變身點亮星星的人,幫助自閉症等心智障礙學員體現自身價值,實現藝術夢想。金羽翼有著一群熱愛音樂和繪畫的自閉症等心智障礙青少年,孩子們為樂隊成員畫了肖像畫,並請樂隊成員在肖像上簽字後贈送給樂隊,以此表達孩子們對音樂的喜愛。
  • 點點燭光祈和平 江東門紀念館舉行燭光祭
    12月13日晚,燭光祭在侵華日軍南京大屠殺遇難同胞紀念館祭場舉行。寒風中,小號手吹響《南京記憶》,如泣如訴。83名社會各界代表手持白燭,緬懷逝去同胞,祈願世界和平。作為南京大屠殺死難者國家公祭系列活動之一,燭光祭活動自2009年起,已連續舉辦了11年。
  • 一刀多用,是放大鏡也是指甲刀,讓父母剪指甲變得簡單
    採用模塊化磁吸設計,分為上下兩部分上部是一塊放大倍數為3.5倍的放大鏡。採用K9光學鏡片,透過率高達98%。平時可以當做放大鏡來讀書讀報下部底座則用螺絲固定住了一個大號指甲鉗。指甲鉗採用高溫鍛造,密度高更鋒利,使用壽命是市面上普通指甲鉗的數倍。
  • 宇宙學再獲殊榮
    所以,今年發給Peebles主要是因為他在物理宇宙學方面的貢獻。什麼是物理宇宙學呢?早期的宇宙學更多注重的是觀測甚至是形上學,但是觀測到現象之後,總需要一些物理理論來做出解釋,這樣物理宇宙學就自然而然的成為了一個學科分支,就是物理和宇宙的結合。
  • 赤壁市教育大會先進單位和個人巡禮(五):用智慧之愛點亮每一顆星星,赤壁一中,彭少彬
    赤壁市教育大會先進單位和個人巡禮(五):用智慧之愛點亮每一顆星星 赤壁一中 彭少彬赤壁一中教師彭少彬作經驗交流
  • 他們點亮了這群「星星的孩子」才藝夢
    他們點亮了這群「星星的孩子」才藝夢 2020-09-02 14:45 來源:澎湃新聞·澎湃號·政務
  • 點點燭光寄託哀思祈願和平
    12月13日,南京師範大學合唱團在「燭光祭」活動中進行合唱。(新華社發)  新華社南京12月13日電(記者 邱冰清 蔣芳)13日晚,悠揚的小號《南京記憶》響徹祭場,一場為30萬南京大屠殺死難者舉行的燭光祭,在侵華日軍南京大屠殺遇難同胞紀念館舉行。  祭場中央的青磚牆上,白色花圈環繞黑色「奠」字,兩側石子路上鋪滿了白燭。夜幕下,長明火在燃燒,一盞盞燭光陸續點亮,劃破沉沉夜空。南京大屠殺倖存者代表、醫護人員代表、學生代表等手捧白燭,依次入場。
  • 初中作文,燭光照亮我的生活
    燭光照亮我的生活 蠟燭雖小,但燭光溫暖又明亮;蠟燭雖小,但燭光也能照亮天地一方;蠟燭雖小,但燭光是死亡黑洞中生的希望;蠟燭雖小,但燭光照亮生命,化作生命的光芒。 同學如燭光,點亮我心間。 時間本是沒有溫度的,因為人的意義的賦予,時間才有了溫度。
  • 一個自然原木色的家,用燈光點亮溫暖,像童話一樣夢幻溫馨
    就像這個溫暖的家,用舒服的燕麥色原木色等悅目色調明快心緒,再用溫馨的燈光點亮整個空間。回家,就能擁抱一室溫暖,看起來就是小熙下班以後想趕緊回的家了。白雪覆蓋的白色房子,裝飾溫馨的聖誕樹,帶來溫暖的微微燭光,像童話描述的一樣溫馨浪漫。
  • 2000盞燭光寄託哀思祈願和平
    2000盞燭光寄託哀思祈願和平 2020-12-13 21:01:55 參與互動   新華社南京12月13日電(記者邱冰清、蔣芳)13日晚,悠揚的小號《南京記憶》響徹祭場,一場為30萬南京大屠殺死難者舉行的燭光祭