Author Archives: 瑞棋 張

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。 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：

宇宙有多大？在望遠鏡發明之前，古人所能想像的宇宙就是太陽系。隨著望遠鏡的性能越來越強，人們才發現更多肉眼看不見的星星，也才發覺這些天體其實距離我們非常遙遠。然而到了二十世紀初，人們仍以為太陽和這些天體全都屬於同一個星系──也就是銀河系；即使有一些天文學家注意到仙女座星系（Andromeda Galaxy）具有螺旋結構，而懷疑它是位於銀河系外的星系，但一般仍認為它只是銀河系中一個正在形成類似太陽系的星雲。 1919年，30歲的哈伯（Edwin Hubble）獲聘至加州的威爾遜山天文台（Mount Wilson Observatory）；11月，100吋的胡克望遠鏡（Hooker telescope，命名取自資助建造的美國鋼鐵企業家John Hooker）落成啟用。這是當時世上最大的天文望遠鏡，有此利器，哈伯得以更清楚地一窺宇宙深處。果然，四年後他便在仙女座發現了12顆造父變星（Cepheid），讓他得以釐清仙女座的爭議。 造父變星的光度（所發出來的光）會呈週期性的變化，光度越大的造父變星，變化週期越久，從一、兩天到兩、三個月不等；這是哈佛大學天文台的女性計算員勒維特（Henrietta Leavitt）於1912年發現的，因此也稱為「勒維特定律」。根據這個定律，只要觀察到某顆造父變星的變化週期是幾天，就可以得知它的平均光度是多少。我們知道同樣光度的星星距離我們越遠，看起來越暗，而且亮度與距離平方呈反比，因此從造父變星的變化週期與亮度，就能推算出它距離我們有多遠。 1924年11月，哈伯在紐約時報發表他的估算結果：仙女座距離我們至少100萬光年（目前估算的距離應是250萬光年），因此絕不可能位於銀河系內；我們銀河系只是宇宙大海中的一個「島宇宙」，之外還有浩瀚無垠的宇宙。 接著幾年，哈伯繼續觀測更多銀河系外的星系，發現越遙遠的星系的「紅移」（光譜的譜線整個往紅端移動）程度越大，也就是越遠的星系以越快的速度遠離地球；這代表所有星系都在彼此遠離，也就意謂著宇宙正在膨脹。1929年1月17日，哈伯發表題為《銀河系外星系之距離與徑向速度的關係》的論文，完全顛覆傳統認知。 長久以來，科學家相信宇宙處於平衡穩定的狀態，包括愛因斯坦也是如此，他於1917年在廣義相對論的方程式中另外添加了「宇宙常數」，以確保符合靜態宇宙觀。即使俄羅斯物理學家弗里德曼（Alexander Friedmann）以及比利時天文物理學家勒梅特（Georges Lemaître）分別在1922年與1927年，根據廣義相對論提出宇宙膨脹的模型，愛因斯坦仍打死不信。如今哈伯的觀測結果令他不得不將宇宙常數刪去，並嘆說這是他一輩子最大的錯誤（他萬萬想不到，後來發現的暗能量又讓宇宙常數起死回生）。 哈伯揭露了銀河系外還有廣袤無邊的宇宙，而且宇宙還在一直膨脹中，從此改變了人們的宇宙觀。雖然他的影響如此深遠，卻沒有拿到諾貝爾獎，只因當時的觀念仍不認為天文學是物理的一部分。等到觀念改變時，哈伯已於1953年因腦部血栓過世，等不到他應得的諾貝爾物理獎了（直到1974年，諾貝爾獎物理學獎才首度頒給天文學的學者）。 參考資料：

「你怎麼在看選舉公報？我以為你早就決定要投誰了。」科宅看見女神攤開大大的選舉公報，好奇地問道。 「噯，你不知道，有些候選人的政見天馬行空、千奇百怪，你想都想不到，真是太有趣了！」 科宅不置可否，滑著自己的手機，沒多久突然聽見女神興奮地對他說： 「你看，你看，這個立委候選人的政見裡面有一條是『推翻地球科學，重啟地平科學研究』欸。」 這下科宅馬上被勾起好奇心，把選舉公報搶過來一看，只見這項政見的下方寫著： 「自14世紀以來，人類受到哥白尼的日心說、牛頓的萬有引力等錯誤科學和教育的影響，普遍認爲地球是球體。然而，近年來全球有多個科學機構已證實地球是平面，並不存在自轉和公轉，太陽和月亮的大小相等，且距離比人類想像近許多。或許你第一次聽到地平學說時感到懷疑，甚至覺得可笑，但請相信我，未來20年會有更多難以置信的事情發生。」 女神見他閱畢抬起頭來，便笑著說： 「好笑吧，這年頭還有人相信地球是平的，而且還是台北市信義區的候選人。」 「其實相信的人比你想像的還多喔，國外就有「地平說學會」(The Flat Earth Society)，會員有好幾百人，致力於宣揚地平說。」 「蛤，地球是圓的不是常識嗎？有什麼好懷疑的？」 「他們相信地球是圓的啊——只不過是圓盤狀。」科宅見女神白了他一眼，才繼續正經地說：「其中有些人或許是基於聖經的說法，不過我想主要還是與他們的實際感受不符。」 「什麼意思？」 「例如登高望遠，所看到的地面還是平的啊。另外，地球若真的像科學家所說，自轉速度高達每秒465公尺，為什麼一點感覺都沒有？對他們而言，地圓說根本與這些生活經驗不符。哪，你看這個候選人寫『不存在自轉和公轉，太陽和月亮的大小相等』，應該就是基於他實際感受與看到的。」 「不是，如果在古時候就算了，現在太空船都已經拍了那麼多地球的照片，他們沒看到嗎？」 「他們認為那些相片是用超廣角鏡頭拍的，地球才會呈現球體的感覺。當然，也有人乾脆咬定照片根本是偽造的，就像登陸月球也是在攝影棚裡拍的。」 女神嘆了口氣：「好吧，這些人要活在自己幻想的世界裡，也沒辦法。」 「其實他們也不是都如你以為的只是坐著空想喔。」科宅在手機上查了一下後，說道：「你看，這個叫邁克·休斯（Michael Hughes）的美國人，曾駕著林肯加長型禮車飛越31公尺，創下最遠距離的金氏世界紀錄。他為了證明地球是圓盤狀，決定要親自上太空，拍照證明給世人看。他從2014年開始打造載人火箭，儘管有次試射降落地面時受了不小的傷，但並沒有因此中止這個瘋狂之舉。2020年2月22日，休斯進行第三次試射，結果降落傘在發射時被梯子撕裂，火箭降落時墜毀地面，他也傷重不治。」 「唉，真傻。我看就算他真的成功上了太空，那些地平說的同志也不會相信他的證詞。」 「對啊，其實許多人在某種程度上就像地平論者，只揀取符合自己信念的事證，對於反面的證據卻都視而不見。」 女神點點頭，突然想到了什麼，斜眼盯著科宅說：「等等，你不是在暗指我吧？」 「沒有，我哪敢—–」科宅看女神眉頭一皺。連忙改口：「不是不是，你哪有，你這麼明理。走走走，吃飯去了。」