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亨丽埃塔·利维特,为我们提供测量宇宙尺子的女性

探索亨丽爱塔·斯万·利维特关于造父变星的工作如何改变了我们对宇宙尺度的理解。

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亨丽爱塔·斯万·利维特的工作揭示了宇宙的真实大小。图片来源:A. Fujii/ESA/Hubble

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凝视夜空,即使我们知道这是一种过时的看待天堂的方式,也很难不把太阳、月亮、星星和行星想象成我们头上倒扣的碗的一部分。如今,我们明白地球在自转,每天像芭蕾舞演员一样旋转,同时也在每年的旅程中绕着太阳公转。但这种碗的意象过去是,现在仍然是,一种合理的方式来想象天空如何围绕着我们旋转,以及某些星星如何随着时间的改变或季节的更替而出现或消失。

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但要理解宇宙的真实面貌,我们需要一个三维的天空图景。哥白尼革命开启了这种视角的转变,但直到20世纪,我们才对宇宙的尺度和布局有了真正的理解。

提供最大关键线索之一的研究员是一位每小时挣30美分的聋哑女性。

变星解锁地图

利维特对变星的研究使埃德温·哈勃能够推断出仙女座星系的距离。

亨丽爱塔·斯万·利维特是上世纪之交在哈佛大学工作的众多女性之一,负责编目星星。女性的工资低于男性,通常被认为是注重细节、适合从事数据分析这种往往枯燥乏味的工作。她们也被禁止操作哈佛大学的望远镜,限制了她们其他天文学的选择。利维特的具体任务是造父变星。这些恒星的亮度日复一日、周复一周地变化。她注意到,通常情况下,较亮的恒星周期较长——也就是说,恒星越亮,其亮度变化的周期就越长。

起初,这只是一种好奇。它对任何人都没有任何意义。但利维特通过她的后续工作使其变得非常有意义。她观察了一组位于同一区域,即小麦哲伦星云中的变星。这是一个非常靠近我们银河系的小矮星系。在这里,样本较小,她的趋势更加清晰。较亮的恒星周期较长。

这里值得插入一段,提醒读者一些你在现实生活中肯定经历过的事情。如果你用手电筒从一英尺远的地方照你朋友的脸,他们很可能会问你在想什么,因为那个手电筒非常亮。如果你从一个足球场那么远的地方用同样的手电筒照他们的脸,他们就不会那么暴躁了,因为手电筒对他们来说会显得不那么亮。

手电筒本身的亮度没有改变,但是距离使得它的视亮度大大降低了。回到我们的故事。

利维特在这里意识到了一个非常重要的事情,尽管当时并不清楚有多少其他人也意识到了。因为她第二次研究中的所有恒星都位于同一个地方,它们本质上与地球的距离都相同。所以她的发现揭示了恒星本身固有的东西:一颗恒星改变亮度所需的时间越长,它实际就越亮。因此,如果另一颗恒星改变亮度所需时间很长,但没有显得更亮,那么她得出结论,它一定离得更远,从而使其真实亮度变暗了。通过这种简单的关系,利维特将二维的天空图变成了三维的。

完成标尺

亨丽爱塔·斯万·利维特在哈佛大学编目造父变星。(图片来源:AAVSO)

利维特本人指出,只需有人计算出她极少数变星的视差(一种仅适用于非常近的恒星的距离计算方法)来校准这个系统,就能将她粗略的“近或远”图景转化为一张精确的、带有标记距离的地图。一年之内,另一位名叫埃纳尔·赫茨普龙的天文学家就做到了这一点。

也许利维特超前了她的绝妙观察几年。也许它被忽视了,因为她是一名女性,没有获得正式研究员的地位(尽管她的名字出现在她自己的出版作品上)。无论原因如何,这一发现默默无闻了十多年,直到利维特因癌症早逝之后。直到那时,埃德温·哈勃才利用她的工作来展示宇宙是多么浩瀚,以及许多天文学家长期以来观测到的模糊的“星云”实际上比银河系中的恒星要遥远得多,它们实际上就是整个星系。

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利维特生前从未获得声誉,死后也没有以她的名字命名的华丽望远镜。但仰望夜空时,值得记住的是,我们之所以拥有三维的天空地图,而不是在人类历史大部分时间里维持的平面图景,她功不可没。

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