揭秘恒星成分的天才——塞西莉亚·佩恩

作者:杨朋飞来源:蝌蚪五线谱发布时间:2020-03-26

塞西莉亚·佩恩提出了恒星主要由氢和氦组成。

塞西莉亚·佩恩被称为历史上最伟大的女性天文学家。她在25岁时写了一篇非凡的博士论文,证明太阳和其他恒星主要由氦和氢组成。她的天文故事要从一次演讲说起。

1919年,英国天文物理学家亚瑟·艾丁顿在普林西比岛对日食进行了观测,观测到了光线受引力影响的现象,这次观测为证实爱因斯坦的广义相对论提供了有力的证据。关于这次观测结果艾丁顿在伦敦进行了一次演讲,刚进入剑桥的塞西莉亚·佩恩恰好去聆听了,也是因为这次演讲改变了少女佩恩的人生,让她下定决心学习天文学。

塞西莉亚·佩恩

塞西莉亚·佩恩(来源:网易新闻)

佩恩在剑桥大学求学期间成绩优异,但不幸的是她无法获得学位。当时英国学界对女性歧视很严重,女性接受高等教育没有学位可拿,从事科学研究也受到很大的限制,但这些并没有让佩恩放弃研究天文学,她一直在寻找机会。得知美国科研界对女性的包容程度要比英国好得多,从事天文学工作的机会也多,佩恩便于1923年前往马萨诸塞州的哈佛大学天文台继续学习。

从十九世纪八十年代开始,哈佛大学天文台的研究者们已经陆续对恒星光谱进行了整理分类,最终分为七大类:O型、B型、A型、F型、G型、K型、M型,这就是恒星光谱分类中著名的哈佛分类法。佩恩来到哈佛天文台之后,和其他研究者相处得很融洽,并从他们那里得到了关于恒星光谱的所有数据,基于前人的研究佩恩开始着手通过这些恒星光谱分析恒星的化学成分和物理状态。

当时的研究人员,通过对恒星光谱进行分析,确定了恒星中含有碳、钙、铁、硅等元素,而这些元素都是地球中常见的元素,因此研究者们推断恒星中所含物质成分和地球相同,各种物质成分所占比例也大体相似,这个看法在1929年之前一直是天文学界主流的观点。

恒星光谱

恒星光谱(来源百度百科恒星光谱词条)

佩恩拥有着深厚的原子物理理论基础,她发挥自己的专长,开创性地使用当时最新的原子结构模型和梅格纳德·萨哈的热电离平衡方程对恒星光谱资料进行分析。萨哈是印度物理学家,他的热电离平衡方程把光源的化学成分和光谱同光源的温度联系在了一起,所以这个方程可以确定恒星光谱与恒星温度之间的联系。

佩恩对手里的恒星光谱进行了细致地研究,对不同元素、不同强度的光谱线进行核对计算,最终发现了恒星光谱吸收线之间巨大差异的原因——不同的恒星温度有着不同的电离程度,这个发现也揭示了哈佛分类法的背后含义。佩恩对不同温度的恒星中的元素含量进行了计算,但是计算结果出乎意料——氢和氦两种元素的含量占了恒星质量的绝大部分,远远超过其他元素。佩恩又经过了多次检查计算,可是结果仍是如此,于是她相信自己是正确的,就在自己的博士毕业论文中对这个发现进行了阐述。

1925年,佩恩把自己的博士毕业论文拿给自己的导师沙普利看,沙普利也觉得难以置信,论文中观点毕竟和主流观点相去甚远,于是把佩恩的论文寄给了当时的天文学权威亨利·罗素,很快,佩恩的研究成果被罗素否决了,他的观点和主流观点一致,认为恒星中元素成分和地球相同,各成分含量和地球相似。尽管佩恩多次检查了自己的推演过程,坚信自己的研究成果是正确的,尽管她多次争取说服其他专家,但是面对权威她的努力是那么的无力。最终,她只好违心地在论文中加了一句话“(氢和氦的含量)高得几乎不真实”。论文“修正”后,佩恩获得了博士学位,然后留在了哈佛给沙普利当助教,继续从事恒星光谱的研究工作。

四年后,经过多次研究计算,罗素最终在论文《关于太阳大气的组成》中承认了氢氦元素占恒星质量绝大部分的结论,论文中虽然引述了佩恩当年的研究,但是却没有提及自己当年对佩恩成果的否决。

1934年,佩恩和天文学家谢尔盖·加波施金结婚,一起和丈夫对高光度恒星进行了研究,然后又和助手对变星进行了观测研究,这些工作对人们研究恒星的演化提供了不少帮助。

塞西莉亚·佩恩在一个对女性充满歧视的年代里求学、搞研究,即使自己的研究成果被权威否定也不曾放弃研究,抱着对天文学的无限热情继续着自己的坚持。她的天才让人钦佩,但她百折不挠的精神更让人敬仰!
————————————————————————

【参考资料】

1论文《英国女性高等教育的起源与发展(1848-1948)》,作者南京大学杨阳。

2论文《天文学里程碑上的女性光辉》,作者博衍,《世界科学》2017年03期。

3论文《美国的三位女天文学家》,作者Peggy Aldrich Kidwell、谢丽娟,《世界科学》1992年04期。

扫码加蝌蚪五线谱微信