點亮燭光,用放大鏡找星星的女人,現代宇宙學之母:勒維特

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。