Category 太空天文

1925年1月1日，哈佛大學的研究生西西莉亞·佩恩（Cecilia Payne）終於完成博士論文，孰料提交出去後，審查委員卻不表認同。她苦惱不已，好不容易走到這一步了，她該為了博士學位，按照審查委員的意見修改論文，否定自己的見解嗎？ 起點 1900年5月10日出生於英國的佩恩生長於書香門第，儘管父親在她四歲那年就過世，但獨力撫養三名子女的母親仍讓她一路升學，而她也爭氣地於1919年拿到獎學金，進入劍橋大學就讀。喜歡科學的她選了物理、化學、植物學等課程，打算再慢慢摸索興趣所在，沒想到過沒多久，一場演講便讓她決定了未來的志向。 那年愛丁頓爵士（Arthur S. Eddington）來校演講，講述他5月時遠赴非洲，如何利用日食當下觀測遠方恆星的位置，驗證了愛因斯坦所做的預測，讓原本備受質疑的廣義相對論獲得全球認同。佩恩聽了之後大為震撼，她日後回憶道：「結果就是我的世界觀徹底轉變。……。我的世界撼動之深，使我體驗到宛如精神崩潰的經驗。」 佩恩當下決定專攻物理，並在參加劍橋天文台的活動時，主動向愛丁頓爵士請益，獲他指點閱讀哪些書籍，並讓她使用天文台的圖書館查閱天文學期刊，從此開啟了她的天文學之路。 哈佛大學天文台 然而當時劍橋大學尚不授予女性學位（此一陋習直到1948年才打破）；女性修完大學課程後，未來的職涯唯有至中小學教書一途。所幸佩恩認識了哈佛大學天文台台長夏普利（Harlow Shapley），他剛在哈佛大學開設天文學的研究所課程，願意提供她獎金前往就讀，於是佩恩便於1923年負笈美國攻讀博士。 哈佛大學天文台擁有數量龐大的恆星光譜照片，除了可以用來判定溫度為恆星分類，還能透過光譜分析知道恆星內部有哪些元素，這是因為恆星所發出的光被不同元素吸收後，會在光譜上所對應的波長位置形成許多稱為「夫朗和斐線」（Fraunhofer lines）的暗線，從這些譜線便能得知是哪些元素造成的。 作為哈佛研究生的佩恩得以查閱天文台的這些資料。相較於美國的天文學家，主修物理的她有個優於他們的強項，那就是量子物理的知識。量子物理才剛興起不久，提出相關理論的物理學家都在歐洲，佩恩在劍橋就上過波耳本人開的課，美國的物理學教授還不見得比她瞭解量子物理。 恆星光譜 佩恩知道夫朗和斐線是因為不同能階的電子吸收不同波長的光後，躍遷到更高能階；理論上溫度越高，電子越容易被激發到更高能階，因此夫朗和斐線會更加明顯。但印度天文物理學薩哈（Meghnad Saha）於1920年指出，當溫度太高時，最外層的電子會逃離原子束縛而成為自由電子，原子失去電子變成離子後就無法吸收光線。因此佩恩領悟到恆星中的元素其實有很大比例是離子，而不是可吸收特定波長的中性原子，這代表恆星的夫朗和斐線反映的並不是真正的元素含量。 於是佩恩根據薩哈的電離理論，推算不同表面溫度的恆星中，原子電離的程度，再從它們的夫朗和斐線推算所含的元素比例。結果她發現不同類型的恆星——包括太陽，其組成成分幾乎全都一樣，更令人訝異的是，氫與氦這兩個最輕的元素就占了絕大部分（分別是71%與27%），其它元素總共占不到2%。 這完全違背了天文學家的普遍認知，因為他們認為太陽系的主要天體既然約莫在同一時期形成，那麼太陽的組成成分與地球應無二致。因此當佩恩將她的發現寫成博士論文，提交出去後，負責審查的普林斯頓大學教授羅素（Henry Russell）便勸她不要做出氫是太陽主要成分的結論，因為這「顯然不可能」。 翻身 羅素是天體光譜學的權威，佩恩內心掙扎許久後，還是在博士論文最後備註自己的計算「幾乎可以肯定與實際不符」，好讓論文順利過關。她因此於1925年取得博士學位，成為哈佛大學第一位天文學博士。 沒想到四年之後，羅素從不同方向著手，也計算出和佩恩同樣的結果，才在論文中提及佩恩是最早發現的人。此外還有另外兩位天文物理學家也都驗證了佩恩的主張，從此學界才普遍相信恆星主要是由氫與氦所組成；她那篇論文也被譽為天文學領域最傑出的博士論文。 佩恩決定繼續留在哈佛研究天文學，不過哈佛大學向來不聘任女性為大學教授，天文學家也只有男性才有資格擔任，她只能領取低薪，以助理的身分從事研究工作，繼續為恆星演化與變星的物理解釋作出重要貢獻。 1938年，佩恩終於被賦予天文學家的頭銜，但要到1956年她才終於晉升為正教授，成為哈佛大學第一位獲此「殊榮」的女性；不久之後，她成為天文學系主任，又是哈佛史上第一位擔任系主任的女性。 回顧 佩恩以自身成就證明女性也能獨當一面，提升了女性的地位，也鼓舞更多女性投入天文學研究，理查·費曼的妹妹喬安·費曼（Joan Feynman）便是在哥哥送她的天文學教科書上讀到她的貢獻，而相信自己也能成為科學家。 1976年，美國天文學會授予佩恩「亨利·諾里斯·羅素獎」（沒錯，這個獎的名稱就是那位否定她再肯定她的天文學權威），她在獲獎感言中說： 年輕科學家的獎勵是成為史上第一個看見某樣事物或理解某樣事物的人時，所產生的情感悸動。沒有什麼能與這種經驗相比。 最後她也說： 老科學家的回報則是看到一幅模糊的草圖逐漸化為精巧的風景所帶來的感觸。 這無疑是佩恩一生不忮不求，也從不懷憂喪志，全心投入科學研究的內心寫照。 參考資料：

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7月4日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：