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發現宇宙標準燭光的人

發現宇宙標準燭光的人

發現宇宙標準燭光的人

1月17日那篇〈宇宙膨脹的證據〉中,介紹了哈伯發現銀河系外還有宇宙以及宇宙膨脹,裡面提及他是根據「勒維特定律」推算星系距離。下面就來介紹這位做出關鍵貢獻卻長期遭到忽視的勒維特(Henrietta Leavitt)。

女性計算員

勒維特於1868年出生美國麻州一個不到兩千人的小鎮,父親是位牧師。她先到俄亥俄州的歐伯林學院(Oberlin College,1837年成為美國第一家允許女性就讀的大專院校)讀了兩年後,再轉到附屬於哈佛大學、特為女性開設的學程就讀。她在大四那年修了一門天文學,產生濃厚興趣,於是在1892年畢業後又留校多修了一年天文學的課程。

勒維特接著到歐洲遊學,不料在異鄉染疾而嚴重喪失聽力;她返回家鄉後休養一陣子後,於1895年向哈佛大學天文台長皮克林(Edward Pickering)求職。皮克林九年前開始雇用女性處理天文觀測資料,是當時科學領域中少數有女性的容身之地,但限於預算,已無法再增聘人手。勒維特衣食無虞,便自願無償擔任計算員的工作。

哈佛大學天文台的女性計算員,攝於1900年;左三坐在牆前的即是勒維特。圖片來源:Harvard Library

以志工的身分做了幾年之後,勒維特總算在1902年成為正式職員。女性計算員的時薪只有微薄的0.3美元,對她而言,確保未來能繼續獻身於熱愛的天文學,意義更加重大。勒維特表現傑出,很快被拔擢為光度測定的部門主管,負責依據天文攝影的感光底片,更準確地劃分恆星的星等。1905年開始,她針對變星有系統地予以判定、分類。

造父變星

所謂變星就是亮度會改變的星,根據變星的光譜、由亮到暗再轉亮的天數、亮度變化的曲線形狀等,可以將變星分成不同類型。勒維特檢視了許多感光底片後,在大、小麥哲倫星雲一共發現了1,777顆變星,予以分類後寫成論文,於1908年發表。她在論文中特別指出小麥哲倫星雲的17顆造父變星似乎有個規律:亮度越大,變化的週期越長。

造父是中國古代的星官(相當於星座)之一,位於現在所稱的「仙王座」(Cepheus),共有五顆恆星,分別叫造父一到造父五。荷蘭裔的英國天文學家古德利克(John Goodricke)於1784年發現造父一是顆變星,後來便將類型和造父一相似的變星稱為造父變星。巧合的是,古德利克幼年時也因病失聰,和勒維特一樣都無法聽見外界的聲音,卻在繁星中發現常人所未見。

造父變星是因為外層氣體因熱而膨脹後,使得內層的輻射更容易穿透,顯得更亮。隨後外層氣體又因為膨脹後溫度下降,在自身重力的作用下而收縮,使得穿透的輻射變少而變暗;如此不斷循環因而時亮時暗。勒維特當時仍不知道這個機制,但既然所觀察到的造父變星亮度都呈現週期性的變化,可以推斷並非伴星遮掩光芒之類的外部因素,而是造父變星本身的特性所致。

不過亮度是從地球觀測到的光,光度才是恆星所發出的光,照理說應該要根據這些造父變星與地球的距離,反推出它們的光度再加以比較。當時尚不知道它們的實際距離,但可以確定小麥哲倫星雲非常遙遠,這些造父變星在裡面的分布又相當密集,因此它們與地球的距離即使有差異,也小到可以忽視。既然它們的遠近幾乎相同,那麼亮度與光變週期的關係,也就相當於光度與光變週期的關係。

勒維特定律

勒維特隨後又多發現了8顆造父變星,也是亮度越大,光變週期就越長。她以亮度(視星等)為縱軸,光變週期的天數為橫軸,將這25顆造父變星的數據標示上去後,最大亮度與最小亮度的兩條連線都相當平滑;若將橫軸改為天數的對數,則可明顯看出兩條斜率相同的直線,更清楚呈現光變週期與光度的線性關係,這就是後來所稱的「勒維特定律」。

勒維特在1912年的論文中繪出造父變星的光度(縱軸)與光變週期(橫軸為天數的對數)的線性關係。

勒維特定律堪稱革命性的大發現。以往無法從亮度判斷恆星的距離,因為同樣的亮度可能是光度很大但很遠,也可能是光度很小但很近。而利用視差法又只能測定數百光年內的距離,更遠的恆星就無法確定遠近,以致大家對於宇宙的大小眾說紛紜。如今根據勒維特定律可以得知,兩顆光變週期相同的造父變星,其光度也相同;如果兩者的亮度是4:1,那麼較暗的那顆就是另一顆的兩倍遠(亮度與距離平方成反比)。

1913年,丹麥天文學家赫茨普隆(Ejnar Hertzsprung)在視差法可判定的距離內也找到了造父變星,他用它的光變週期和勒維特的發現做比較後,首度估算出小麥哲倫星雲的距離。儘管赫茨普隆本身估算錯誤(他算出3萬光年,但實際上是20萬光年),卻示範了如何以造父變星做為標準燭光,推算星雲、星團,乃至星系的距離。哈伯便是在1924年發現仙女座的造父變星,算出仙女座距離我們至少100萬光年(實際距離應是250萬光年),因此絕不可能位於銀河系內,才確認銀河系外還有其它星系。

這一切都始自勒維特發現造父變星的光變週期與光度的線性關係,不過此一重大發現卻不是以她的名義發表;1912年3月3日發表的論文〈小麥哲倫星雲中25顆變星的週期〉唯一作者是哈佛大學天文台長皮克林,她的姓氏只出現在內文的第一句:「下列敘述關於小麥哲倫星雲中25顆變星的週期,是由勒維特小姐提供。」

勒維特生前未能獲得應有之聲譽,也來不及見到自己的發現促成哈伯改變了人類對宇宙的認知,因為她在1921年即因胃癌病逝,享年僅53歲。據說瑞典科學院的一名院士在1925年想提名她角逐諾貝爾物理學獎,才得知她已離世。然而即使她仍健在,是否真能獲獎也大有疑問,畢竟就連哈伯也從未獲此殊榮。不過哈伯至少享有高懸不墜的地位與名聲,而勒維特至今卻鮮為人知……。

參考資料:

  1. Henrietta Swan Leavitt – Wikipedia
  2. Henrietta Swan Leavitt | Biography & Facts | Britannica
  3. 1777 Variable In The Magellanic Clouds
  4. Periods Of 25 Variable Stars In The Small Magellanic Cloud

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