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打开“宇宙膨胀”大门的金钥匙
来源: 2021年12月15日 《南开大学报》 第3版发稿时间:2021-12-16 08:14

  □苏宜

  今年12月12日是发现“周光关系”的美国女天文学家勒维特(H.S.Leavitt,1868-1921)逝世100周年。
  在总数约3000亿颗恒星的银河系茫茫星海中,天文学家迄今如数家珍般地共发现了700余颗具有特殊价值的恒星,中国天文界称之为“造父变星”。造父本是西周穆王的一名驭手,因驾八匹骏马车载穆王迅速归国平叛有功,穆王赐造父以赵城并赐冠名于天上的一组小星为造父星。造父星本不引人瞩目,可其中的造父一即仙王座δ星(δCep)竟成为现代天文学里一类非常重要的天体造父变星(Cepheid)的典型代表。
  变星指亮度会变的恒星。如果亮度变化周而复始不断重复,称脉动变星。造父变星是脉动变星中的珍稀品种,只占总数的5%,其特点是光变周期在1~50天范围,周期和变幅都非常稳定准确。造父一的光变周期是5天8小时46分38秒,最亮时3.6等,最暗时4.3等。亮度变化的原因是恒星演化到晚期,星体有节奏的膨胀和收缩。
  造父变星虽然数量稀少,但因为一种非常可贵的特性而成为珍品。这一特性就是由美国女天文学家勒维特于20世纪初发现的“周光关系”:造父变星的光变周期越长,光度就越大;准确测量它的光变周期,就可以依公式计算出它的光度。光度指恒星的真实发光程度。由于明暗不一的恒星距离远远近近相差悬殊,因近而亮不是真亮。人在地球上测量出的明亮程度只是视亮度,还要顾及其距离,才能知道真实亮度,而测量距离谈何容易,天体越遥远,距离越难测量。天文学研究的历史上已多次出现因为一种新的天体距离测量方法的问世,而使整个天文学研究跃上一大层台阶的例子。“周光关系”提供了一种测量遥远天体乃至河外星系距离的有效方法:找到造父变星,测量其光变周期而计算出光度,再与视亮度比较,距离就知道了。
  勒维特1892年毕业于马萨诸塞州拉德克里夫学院(Radcliffe College),不幸一场恶病使她逐渐完全失聪,终致聋哑。1895年她进入哈佛大学天文台担任志愿者助理工作,1902年转正,负责测量哈佛天文台北美本部和设在南美洲秘鲁的60厘米Bruce折射望远镜拍摄的大量底片上恒星的亮度。1908年她在《哈佛天文台年鉴》发表“1777颗麦哲伦云中的变星”,1912年又发表“小麦哲伦云中25颗变星的周期”文章,提出周光关系——找到了这把被天文界誉为“量天尺”的金钥匙。
  当代天文学史上持续了一个多世纪的纷争:那些在望远镜中看到的朦胧的云雾状影像,究竟是银河系内还是银河系外的天体?直至1920年4月,美国国家研究理事会组织了一场著名的世纪大辩论,双方仍各执一词,不了了之。3年之后,34岁的哈勃(E.Hubble,1889—1953)观测到一颗位于仙女座M31中的造父变星V1,应用周光关系算出其距离远远超出银河系的疆界之外,M31确是河外星系,世纪大辩论圆满落幕。V1被称为“天文学史上最重要的一颗恒星”。1929年,哈勃根据对46个河外星系的测量提出了著名的哈勃关系,表明宇宙是在膨胀中;1953年,哈勃又根据更多、更远的河外星系的测量,发表“红移定律”确认宇宙膨胀,同年哈勃辞世。哈勃正是用勒维特找到的金钥匙打开了通往“宇宙膨胀”之谜的神秘大门。1990年哈勃空间望远镜升空的重要目标之一,就是测量更遥远星系中的造父变星,研究宇宙膨胀的细节和宇宙年龄的大小。
  勒维特终身未婚,1921年因癌症去世,享年53岁,20余年每日埋头面对满是恒星影像的大张黑白玻璃底片,共发现2400多颗变星,占全世界所有已发现变星总数的一半以上。她从没有用望远镜观测过天体,也没有人称呼她为天文学家,她的身份一直是每小时薪酬30美分的天文台“计算员”,兢兢业业,全凭眼力、智慧和勤奋为人类认识宇宙作出了重大的贡献。身后只遗存315美元的积蓄,奉给了她75岁的老母亲。她不知道哈勃后来的工作,也不知道大小麦哲伦云是远在银河系之外的河外星系,更不知道在她身后曾有瑞典科学家哥斯塔·米塔-列夫勒(GostaMit-tag-Leffler,1846—1927)在不知她已故去的情况下,提出过授予她1926年诺贝尔物理学奖的提议。
  100年前辞世的平凡而伟大的美国女天文学家勒维特千古!

编辑:韦承金

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