北京時(shí)間 4 月 7 日消息，人們過去一度認(rèn)為，銀河系是宇宙中唯一的星系。但亨麗愛塔?勒維特僅僅通過一條簡(jiǎn)單的定律，就徹底改變了這種錯(cuò)誤認(rèn)知。在這一過程中，她甚至連一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡都沒用到。
一個(gè)世紀(jì)以前，宇宙似乎比如今要小得多。當(dāng)時(shí)許多天文學(xué)家都相信，我們所在的銀河系便是整個(gè)宇宙。但在 1923 年，天文學(xué)家埃德溫?哈勃在加州威爾遜山天文臺(tái)、將望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)了遙遠(yuǎn)夜空中一個(gè)模糊而明亮的螺旋形天體 —— 仙女座星云時(shí)，這種看法從此便被徹底推翻了。
這張勒維特的照片攝于 1910 年前后
勒維特在研究中不曾用過一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡。相反，她只用了一枚放大鏡，而且對(duì)準(zhǔn)的并不是天空，而是一片鑲嵌在木框中的纖薄的玻璃。玻璃的一面涂有感光劑，白色的表面上可以隱約看出無數(shù)黑色的斑斑點(diǎn)點(diǎn)，這便是裸眼觀察到的夜空的反轉(zhuǎn)片。勒維特就是通過這種方法感知宇宙的。
勒維特是 19 世紀(jì)末到 20 世紀(jì)初之間在哈佛大學(xué)天文臺(tái)工作的眾多“人形計(jì)算機(jī)”之一。這支團(tuán)隊(duì)全部由女性構(gòu)成，她們總共發(fā)現(xiàn)了數(shù)十顆新星、星云與小行星，以及成千上萬顆“變星”（亮度會(huì)發(fā)生周期性變化的恒星）。勒維特本人就發(fā)現(xiàn)了超過 2000 顆變星，被稱作“變星狂魔”。而在搜尋恒星的過程中，她還獲得了一項(xiàng)更重要的回報(bào)：她找到了太空中距離的測(cè)量方法 —— 周光關(guān)系。
利用周光關(guān)系，天文學(xué)家得以對(duì)星際尺度上的距離開展測(cè)量，哈勃也獲得了觀察宇宙更深處所需的公式?！八陌l(fā)現(xiàn)徹底改變了我們對(duì)宇宙的認(rèn)知?！敝ゼ痈绱髮W(xué)天文學(xué)家與天體物理學(xué)家溫迪?弗里德曼指出。
勒維特在大四那年對(duì)天文學(xué)產(chǎn)生興趣后，于 1895 年成為了哈佛大學(xué)天文臺(tái)的一名“學(xué)徒”，那年她 27 歲。據(jù)歷史學(xué)家瑪格麗特?羅西特指出，當(dāng)時(shí)有越來越多的女性像勒維特一樣獲得了較高的學(xué)歷。然而，她們中的大多數(shù)仍然被排除在大學(xué)教職與領(lǐng)導(dǎo)層之外。但天文學(xué)系非常喜歡接收這些女性，讓她們來支持自己的“重大科學(xué)項(xiàng)目”，因?yàn)檫@些項(xiàng)目需要用到大量廉價(jià)勞動(dòng)力。
圖為天文學(xué)家愛德華?皮克林與哈佛天文臺(tái)的計(jì)算員們
勒維特當(dāng)時(shí)為哈佛天文臺(tái)主任愛德華?皮克林所雇。彼時(shí)皮克林正在主持開展一項(xiàng)長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年的項(xiàng)目：拍攝夜空照片，然后對(duì)恒星光譜進(jìn)行分類。
根據(jù) 19 世紀(jì)的性別角色論，女性是從事這種分類工作的理想人物，因?yàn)樗齻兗饶托挠旨?xì)心。而男性則被認(rèn)為更適合擔(dān)任領(lǐng)導(dǎo)角色，以及從事觀察和理論分析等需要智力的工作。
像勒維特這樣的崗位一般收入和地位都很低，幾乎沒有晉升空間。在這樣的崗位上，女性可以充分發(fā)揮自己的“女性特色”技能，并且無論是從聲望還是薪酬上，都不會(huì)對(duì)男性同事造成威脅。
皮克林在聘用女性時(shí)，心里的確是這么想的。他在 1898 年的哈佛天文臺(tái)年報(bào)中寫道：“為使效率最大化，優(yōu)秀的觀察員永遠(yuǎn)不該把時(shí)間浪費(fèi)在可以由薪水低得多的助手完成的工作上?！彼督o這些計(jì)算員的時(shí)薪為 25 美分，相當(dāng)于每年 1500 美元，而當(dāng)時(shí)天文臺(tái)的男性員工年薪最低也有 2500 美元。
除了在勒維特次年加入哈佛天文臺(tái)的安妮?坎農(nóng)之外，計(jì)算員們是不允許使用望遠(yuǎn)鏡的，只有男性才能調(diào)整這些設(shè)備、拍攝恒星照片。拍攝完成后，這些感光玻璃片再被送到天文臺(tái)東側(cè)二層的“計(jì)算間”，進(jìn)行下一步分析和計(jì)算。
在這個(gè)房間里，女性計(jì)算員們?nèi)諒?fù)一日地俯身在這些玻璃片前，對(duì)恒星光譜進(jìn)行分類，測(cè)算它們的亮度，然后將計(jì)算結(jié)果歸納匯總。這項(xiàng)工作繁重?zé)o比，又枯燥乏味。
勒維特入職后分到的任務(wù)是，僅用感光玻璃片確定北極區(qū)域變星的星等（即恒星亮度）。這些恒星的光芒之所以會(huì)波動(dòng)，原因之一是因?yàn)樗鼈儠?huì)發(fā)生脈動(dòng)，即規(guī)律性地壓縮和釋放氣體。為判斷某顆恒星是否屬于變星，勒維特需要將同一片星空的兩張玻璃片重疊在一起，其中一張為負(fù)片（背景為白色，恒星為黑色），另一張為正片。普通恒星會(huì)在重疊后相互抵消，只有亮度會(huì)變化的恒星會(huì)顯露出來。勒維特當(dāng)時(shí)尚不知情，但在恒星的變化規(guī)律及整體星等中，其實(shí)隱藏著能夠幫助我們測(cè)出其到地球距離的奧秘。
通過恒星與恒星之間、感光片與感光片之間的比較，勒維特會(huì)對(duì)恒星亮度做出判斷，將其與其它已知恒星的星等進(jìn)行對(duì)比，然后把結(jié)果記錄下來，再一次又一次地重復(fù)這一過程，勒維特在哈佛天文臺(tái)的日子就是這樣度過的。
勒維特（右）與安妮?坎農(nóng)（左）的合影。后者是唯一獲準(zhǔn)使用哈佛天文臺(tái)望遠(yuǎn)鏡的女性
一年后，勒維特離開了哈佛天文臺(tái)、前往歐洲旅行。歸來后，她在家鄉(xiāng)附近的威斯康辛伯洛伊特學(xué)院謀到了一份藝術(shù)助教的職位。但最終，她還是被恒星召喚回到了天文學(xué)領(lǐng)域。
勒維特沒有留下任何日記，信件也以公事為主，很少透露個(gè)人細(xì)節(jié)。不過，她顯然在天文臺(tái)的工作中投入了大量心力。據(jù)一名天文學(xué)家描述，她“對(duì)工作的著迷程度堪稱罕見”。在離開天文臺(tái)六年后，她向皮克林表達(dá)了自己是多么熱愛和懷念之前的工作。她在 1902 年 5 月 13 日的一封信中寫道：“假如這些我懷著無比的喜悅、開展到了一定程度的工作最終沒能完成，我簡(jiǎn)直無法描述自己有多么遺憾?！?/p>
勒維特十分盼望能重回天文學(xué)領(lǐng)域，并詢問皮克林能否讓她回到天文臺(tái)就職、或在學(xué)校擔(dān)任一名天文學(xué)教師。不過，她從事教職的希望并不大，因?yàn)樗穆犃φ谥鹉曜儾睢ａt(yī)生也不允許她在寒冷的夜間觀察星空，因?yàn)獒t(yī)生認(rèn)為寒冷會(huì)加劇耳聾。皮克林對(duì)這種“天文學(xué)會(huì)影響聽力”的看法感到迷惑，但又沒有位于溫暖地區(qū)的天文臺(tái)愿意接收勒維特，因此皮克林給她開了 30 美分的時(shí)薪，讓她重回哈佛天文臺(tái)。勒維特接受了這份工作，于 1903 年重新成為了哈佛天文臺(tái)的全職計(jì)算員。
她又重新拾起了自己在變星方面的工作。皮克林對(duì)搜尋星云區(qū)域中的變星很感興趣，并于 1903 年獲得了卡內(nèi)基研究所提供的一筆資金。但到了 1904 年，卡內(nèi)基研究所停止了這筆資助。哈佛天文臺(tái)的高級(jí)計(jì)算員威廉敏娜?弗萊明不得不遣散所有計(jì)算員，只留下了勒維特一人。勒維特只得獨(dú)自接管了這項(xiàng)工作，而她的第一項(xiàng)任務(wù)便是獵戶座大星云。
她翻看了過去十年來針對(duì)獵戶座大星云拍攝的感光片，在其中發(fā)現(xiàn)了 77 顆新變星。接下來，她又將目光轉(zhuǎn)向了射手座星云和小麥哲倫云。1905 年夏天，《科學(xué)美國(guó)人》在一篇報(bào)道中介紹道，“勒維特小姐”自 1904 年 2 月開始獨(dú)立開展星云研究工作起，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了 1300 顆新的變星。
整個(gè) 1908 年，勒維特一直小麥哲倫云與大麥哲倫云中搜尋變星。（當(dāng)時(shí)天文學(xué)家們還不知道二者都是圍繞銀河系轉(zhuǎn)動(dòng)的小型矮星系。）她在其中一共發(fā)現(xiàn)了 1777 顆新變星，并計(jì)算出了它們的最小與最大亮度。
這片小麥哲倫云的感光玻璃片上留有勒維特的筆記
就在這時(shí)，她發(fā)現(xiàn)了一個(gè)獨(dú)特的規(guī)律。在給 16 顆新變星分類后，她注意到恒星亮度越高，完成一次亮度變化周期的時(shí)間就越長(zhǎng)。
盡管這一觀測(cè)結(jié)果對(duì)后世造成了深遠(yuǎn)影響，但勒維特當(dāng)時(shí)并沒在這上面琢磨太久，也沒去細(xì)想它的意義。她把表格上交之后，就因病休假了一年。她在報(bào)告中對(duì)這一發(fā)現(xiàn)的描述也只有寥寥數(shù)語：“值得注意的是…… 越亮的變星周期越長(zhǎng)?！?/p>
勒維特病愈后，在天文臺(tái)的工作任務(wù)也有所變動(dòng)。但在這段時(shí)間里，她仍對(duì)麥哲倫云中的變星念念不忘。在發(fā)表首次報(bào)告的三年后，她又重新將目光對(duì)準(zhǔn)了小麥哲倫云。
盡管勒維特并不知道感光片上的恒星到地球的確切距離，但她知道，這些恒星都是小麥哲倫云的一部分，因此都差不多一樣遙遠(yuǎn)。她據(jù)此做出了一項(xiàng)十分重要的推論：恒星的視星等變化與距離沒有關(guān)系，亮度更高的恒星并非因?yàn)榫嗟厍蚋棚@得更加明亮，而是因?yàn)樗鼈儽緛砭土?。為?yàn)證這一猜測(cè)，她又將另外八顆恒星的完整變化周期繪制成圖表，得出的結(jié)論依然與三年前相同：恒星越亮，周期越長(zhǎng)。
這一次，她的報(bào)告得到了皮克林的注意。幾個(gè)月后，他于 1912 年 3 月 3 日發(fā)表了勒維特關(guān)于亮度與周期之間“驚人聯(lián)系”的觀測(cè)結(jié)果。這種聯(lián)系就此變成了一條“定律”，名叫“周光關(guān)系”。
膨脹的宇宙
從遺留下來的記錄來看，勒維特并未針對(duì)這條定律發(fā)表過任何理論。但許多人代她完成了這項(xiàng)工作。天文學(xué)家逐漸意識(shí)到，有了這條定律，他們就可以測(cè)量出遙遠(yuǎn)的恒星到地球的距離了。
圖為用望遠(yuǎn)鏡看到的大麥哲倫云
當(dāng)時(shí)，天文學(xué)家的測(cè)距能力存在上限。假如所有恒星都完全相同，他們就可以通過觀測(cè)到的恒星亮度算出與地球之間的距離。但恒星的實(shí)際光度存在差別。對(duì)于離地球較近的恒星，他們可以采用“恒星視差法”等技術(shù)，通過比較恒星的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來測(cè)算距離。但在一定距離之外，這種方法就派不上用場(chǎng)了。
勒維特發(fā)現(xiàn)的這些變星（名為“造父變星”）可以通過光變周期推算出它們的真實(shí)光度，不受地球上觀測(cè)到的亮度影響。因此，假如某個(gè)遙遠(yuǎn)星系中含有一顆造父變星，天文學(xué)家便可以此作為“標(biāo)準(zhǔn)燭光”（即天文學(xué)中已知光度的天體），據(jù)此計(jì)算出該星系到地球的距離。
這種計(jì)算方法名叫“宇宙距離階梯”，需要分幾步進(jìn)行。首先，天文學(xué)家要找到一顆距地球足夠近、可以使用恒星視差法的標(biāo)準(zhǔn)燭光天體，計(jì)算出它到地球的距離及亮度。接下來，假如更遠(yuǎn)處的標(biāo)準(zhǔn)燭光天體擁有與前者相同的光度變化規(guī)律，天文學(xué)家便可據(jù)此推算出它到地球的距離。
在勒維特發(fā)表該定律的十年后，哈勃將望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)了仙女座星系。在朦朧的云霧之中，他看見了一根“蠟燭”，閃爍著明亮的光芒。發(fā)現(xiàn)這顆造父變星之后，他利用勒維特定律，成功計(jì)算出了仙女座到地球的距離，以此證明了仙女座位于銀河系之外、且距離銀河系相當(dāng)遙遠(yuǎn)。不久之后，他又用同樣的方法測(cè)算出了 23 個(gè)星系到地球的距離，其中有些距地球足有 2000 萬光年之遙。在勒維特定律的基礎(chǔ)之上，哈勃還于 1929 年發(fā)現(xiàn)，宇宙正在不斷膨脹。
“一百多年來，勒維特定律已經(jīng)成為了我們測(cè)量星系距離的基礎(chǔ)?！备ダ锏侣硎?，“在此之前，我們對(duì)夜空的認(rèn)知一直是二維的。而勒維特定律使這幅二維圖像首次變成了三維圖像。我們從此可以真正測(cè)出第三個(gè)維度，即恒星到地球的距離有多遠(yuǎn)?！?/p>
弗里德曼在工作中也高度依賴?yán)站S特的造父變星。在哈勃空間望遠(yuǎn)鏡于 1990 年發(fā)射之前，天文學(xué)家雖然已經(jīng)知道宇宙在不斷擴(kuò)張，但并不知道宇宙的確切大小或年齡。對(duì)此，勒維特的研究又一次提供了解決方案。弗里德曼之前帶領(lǐng)的一個(gè)項(xiàng)目就利用了哈勃空間望遠(yuǎn)鏡和造父變星進(jìn)行測(cè)量，使得精確率大幅度提高。
有了精確測(cè)量變星距離的能力，弗里德曼的團(tuán)隊(duì)成功終結(jié)了數(shù)十年來針對(duì)宇宙年齡的討論?！拔覀儼l(fā)現(xiàn)，宇宙年齡為 137 億年?！?/p>
勒維特還沒來得及了解自己的發(fā)現(xiàn)對(duì)天文學(xué)的重要性，就早早過世了
勒維特定律的優(yōu)雅之處在于它的簡(jiǎn)潔 —— 星等越亮，周期越長(zhǎng)。該定律徹底改變了天文學(xué)家觀察宇宙的方式。不幸的是，勒維特還沒來得及了解自己發(fā)現(xiàn)的重要性，就早早死于胃癌?！八?1921 年逝世，而哈勃于 1923 年發(fā)現(xiàn)了仙女座中的造父變星，又在 1929 年發(fā)現(xiàn)了宇宙的擴(kuò)張。這著實(shí)令人難過。”弗里德曼表示，“她從來不知道自己的工作有著多么重大的意義?！?/p>
雖然勒維特在世時(shí)沒能見證自己對(duì)天文學(xué)做出的改變，但后人從未忘記過她。天文學(xué)家塞西莉亞?佩恩 - 加波施金曾于 1923 年使用過勒維特的辦公桌。她是這樣評(píng)價(jià)這位素未謀面的女性的：“我認(rèn)為她是（哈佛）所有女性中最卓越的一位?！?/p>
在不斷擴(kuò)張的宇宙中，勒維特的“標(biāo)準(zhǔn)燭光”的光芒仍在不斷照亮天文學(xué)家前進(jìn)的路途。為表示對(duì)她的尊敬，弗里德曼等眾多天文學(xué)界人士于 2008 年發(fā)起投票，將此前使用的“周光關(guān)系”一詞更名為“勒維特定律”。
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