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揭秘恒星成分之谜,天文少女长成记

时间:2018-05-10 点击:1565 次

太阳的主要成分是氢,其次是氦,其余元素含量极少,这一点在如今的天文学界早已成为一种基本知识。但人类最初认识这一点,还要归功于一位年轻的女士,她就是塞西莉亚•佩恩。那一年,她才25岁。

喜爱天文的英国少女

1900年5月10日,塞西莉亚•佩恩(Cecilia Payne)出生在英格兰,是家中三个孩子之一。在她只有四岁的时候父亲便去世了,她的母亲不得不独自养大三个孩子。

佩恩天资聪颖,很小便表现出对于数学等理科思维方面的天赋。1919年,佩恩获得奖学金,去到剑桥大学纽纳姆学院继续深造,在那里她修读植物学,物理学和化学。也是在那里,佩恩偶然间去听了一次演讲,而这次经历将改变她的一生。

做演讲的人是著名物理学家阿瑟·爱丁顿(Arthur Eddington),他向大家介绍了自己在1919年前往非洲西海岸几内亚湾观测日食,从而验证爱因斯坦广义相对论准确性的经历。演讲引人入胜,19岁的少女佩恩被完全吸引住了。她想学天文。

后来她回忆起那一天的情形:“那完全改变了我对世界的看法。我的世界遭到了剧烈的震荡,以至于我似乎有一种类似精神崩溃的感觉。”

佩恩一向学业成绩优异,她完成了全部学习,达到了毕业要求,可是却拿不到学位,就因为她是女生。那时候的剑桥大学不向女性颁发学位,这一情况要到1948年以后才被改变。

可是佩恩一心想学习天文,想从事天文学研究,她不甘心由于自己的性别而就此放弃,于是她不断寻找机会。非常幸运的是,当时美国哈佛大学天文台刚好有一个专门鼓励女学生从事高等天文学研究的资助项目。在这个项目的资助下,在1923年的秋季,佩恩得以来到哈佛大学天文台,师从后来非常有名的哈罗·沙普利(Harlow Shapley)。

哈佛大学

来到哈佛之后,佩恩很快融入了新的环境和人际圈子。除了提供一个职位给她,佩恩作为哈佛大学的学生,还可以自由浏览这里数以十万计,来自南北两个半球的大量恒星图像底板。这些图像上恒星大多就是一个个的光点,但也有许多恒星的光谱图,这些细细的线条能够让人了解每一颗恒星的化学成分。

佩恩将当时最新的原子结构与量子物理理论应用于对这些光谱资料的分析。在她之前从未有人进行过这样的尝试,因为在她之前,在哈佛大学天文台没有人具有她这样的知识背景。

但佩恩不同,她关于玻尔原子结构的理论是由尼尔斯·玻尔亲自给她上的课,后者是1922年度的诺贝尔物理学奖得主。她还仔细研究过印度物理学家萨哈(Meghnad Saha)的理论。

萨哈因在1920年导出热电离方程而闻名于世,这一方程被广泛用于恒星光谱数据的解译。萨哈认为,恒星光谱形态与恒星温度有关。恒星温度越高,恒星中物质原子内的电子能级就越高,它们会跃迁到更外侧的电子轨道上。而只要热量足够,最外层的电子就会逃离原子束缚而成为自由电子,留下一个带正电荷的离子,并在光谱中留下痕迹。

基于萨哈的理论,结合自己在剑桥大学时的所学,佩恩开始对大量的恒星光谱线逐条进行研究。她分析了数以百计的光谱线强度,一个元素一个元素的核对,绘制和计算。

佩恩在哈佛大学的资助只能维持她一年的学习,也就是1923年~1924年,刚好足够她完成自己的硕士学位研究。但沙普利希望她能留下来继续做下去。最终,美国大学妇女联盟给予的1000美元奖学金帮助佩恩争取到了宝贵的第二年学习时间。

佩恩继续进行着自己艰难的工作,测算在不同温度状态下不同恒星的元素含量。慢慢的,她意识到氢和氦,这两种原子量最小的元素的含量要远远超越其他元素。这一结果出乎她的预料,也出乎所有人的预料。

恒星的成分

佩恩的计算结果令所有人感到惊讶,就连她在哈佛大学的导师都对此感到难以置信。出于谨慎起见,她的导师将佩恩的文章寄给了当时恒星成分研究的权威,普林斯顿大学的亨利·罗素(Henry Russell)。

尽管太阳里含有氢元素早在1860年代光谱学最初出现的时候就已经被人所知,但人们仍然难以相信佩恩的文章里所说的那样:氢构成了太阳的主要成分。

光谱学研究已经显示,恒星含有各种我们熟悉的元素,包括氧,硅,铝和铁等等,那既然这些元素地球上也都有,一种符合逻辑的推断便是:或许这些成分的比例关系也和地球上是相似的:“天堂里不需要那么多氢,一点点就够了。“罗素在1925年1月14日给佩恩的回信非常简单,只有一句话:“氢的丰度超过金属上百万倍,很显然,这是不可能的。”

尽管非常失望,但出于谨慎起见,佩恩再次回去仔细检查了自己所用的方法,她始终认为自己没有犯错误,但是她的导师,甚至这一领域的权威人物都否定了自己的结论,佩恩也很难再去质疑他们。

1925年春天,在佩恩撰写的博士毕业论文中,她的措辞体现了她当时的处境。她在论文中表示,自己的测量数据显示氢和氦的含量“高的令人难以置信”,因此“几乎肯定是不真实的”。这种措辞的修改显然让大家非常满意,毕竟在一个如此新兴的学科,有些不那么主流的观点也是可以接受的,反而证明这一方向还有很多谜团等待解决。沙普利很快帮助佩恩发表了论文,而罗素也对此大加赞赏,佩恩也顺利获得了博士学位。

但是关于恒星氢元素丰度的问题仍然悬而未决。罗素决定亲自解决这一问题并为此花费了整整4年时间。在此过程中,罗素不止一次地得到氢元素占据主导地位的结论,但每一次罗素都顽固地拒绝相信这样的结论并重新进行尝试,直到最后再也无法拒绝。

1929年7月,罗素发表了一篇论文《关于太阳大气的组成》。在这篇论文中,这位当时的美国天文学权威最终得到了与4年前被他拒绝的佩恩同样的结论并在论文中引述了佩恩当年的研究,以表达对她的工作的认可。他还在文中表示“这一结论是不容置疑的”,但丝毫没有提到自己当年对于佩恩的质疑。

恒星,星系,乃至宇宙的物质组成面貌被完全改写了。佩恩的工作开启了一个崭新的时代。至于佩恩后来的生活,她一生都没有再离开哈佛大学天文台。起先是做博士后研究,再后来担任了这里的全职大学教授,最后得到了终生教职并一度担任天文系的系主任,这也是哈佛大学的首位女性系主任。

很久很久以后,在她的回忆录中,佩恩写下了她对于罗素的看法,她说:“我尊敬他,害怕他,但不喜欢他。”

 

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