摘要：美国宇航局与欧洲航天局合作管理的哈勃空间望远镜拍下了这张图像，它展现了一颗类似太阳的恒星的绚烂死亡。在这颗星星余留的内核周围，外层气体形成了一个茧，而它正在摆脱它们，它的生命随之走向终点。｜图源：NASA, ESA, AND K. NOLL (STSCI)
地球是一个奇迹
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美国宇航局与欧洲航天局合作管理的哈勃空间望远镜拍下了这张图像，它展现了一颗类似太阳的恒星的绚烂死亡。在这颗星星余留的内核周围，外层气体形成了一个茧，而它正在摆脱它们，它的生命随之走向终点。｜图源：NASA, ESA, AND K. NOLL (STSCI)
自我们的祖先仰望星空以来，人类观星已有几千年。在我们整个历史上，闪烁在如墨夜空中的光之图案一直充当着日历和司南，讲述着众神的故事，为诗人和艺术家带来启发。
但人类与星辰的关系在1925年发生了巨大改变，这一年，一位年轻的研究生发现了那些闪耀的光芒由什么构成，由此奠定了恒星天文物理学的根基。
这位直觉敏锐、才华横溢的天文学家就是塞西莉娅·佩恩(Cecilia Payne)，在24岁的年纪，她发现，恒星并不像我们的地球，这些发光球体大多是炽烈的氢与氦——宇宙中两大最轻、最简单的元素。
“在于人类，这是如此基础性的见解。”麻省理工大学的天体物理学家安娜·弗雷贝尔(Anna Frebel)说。
但就像许多与所属时代的主流理论相悖的猜想和发现一样，佩恩的论文受到质疑，引起争论。她身为年轻女性天文学家的事实在那个天文领域所有学术专家都是男性的年代，更加剧了紧张的局面。
今天，佩恩的研究生论文仍然是恒星天体物理学家书架上的重要书目，两百多页的内容因年代久远、时时翻阅而泛黄。今天的科学家将它视为把种种碎片拼合起来的天文学大师之作。
“它关注了细节，”怀俄明大学(University of Wyoming)恒星天文学家梅里迪斯·乔伊斯(Meridith Joyce)评价佩恩的论文说，“精准入微，而且十分勇敢。”
天文学家塞西莉娅·佩恩(婚后改名佩恩-加波施金)在1925年的研究生论文中首个提出，恒星主要由氢和氦构成，再加上一些重元素。｜摄影：SCIENCE HISTORY IMAGES/ALAMY STOCK PHOTO
探索天上的星星
17世纪初，人类就开始制作和使用望远镜。观星者意识到星星在夜空中是多么耀眼，还聚集成了云雾状的星云。
19世纪初，观星者首次使用棱镜将入射太阳光散射出虹色。同世纪更晚些时候，天文学家确定，在望远镜镜片和探测器之间放置棱镜就可以标示星光。
棱镜将进入的星光分割，它们随后像雨点般落在涂有感光乳剂的感光玻璃板上。光子与乳剂相互作用，就形成了深色的印记，在玻璃板上留下扇形黑色区域，而每片空白都标记着光的一种特定颜色——这是遥远星星的签名。
到了19世纪中期，研究人员发现，在实验室中，气态元素受热发出的光形成了相反的谱型——大多空白区域由明亮的各色线条分割开来。物理学家意识到，他们可以利用这些明亮线条解读那种气体的化学性质。
科学家发现，地壳中的物质与星星中的展现出了相似的谱型，因此天文学家认为，太阳和所有其他恒星的构成物质都与地球相同。“我们没有有力的理由认为宇宙中存在任何与我们在地球上观察到的不同的东西。”乔伊斯说。
佩恩的成果极大影响了我们今天对恒星与星系之演化的了解。在这幅照片中，恒星的形成区域散布在漩涡星系NGC3982的旋臂上，这里有大量的氢。｜摄影：NASA, ESA, AND THE HUBBLE HERITAGE TEAM (STSCI/AURA)
塞西莉娅·佩恩是谁？
塞西莉娅·佩恩的星光在1900年5月10日降落在英国小镇文多弗(Wendover)。她在自传中写道，十几岁时，她学习科学与音乐，之后于1919年获奖学金，入学剑桥大学纽纳姆学院(Newnham College at the University of Cambridge)。
佩恩起先研读植物学，入学第一年转修物理，师从欧内斯特·卢瑟福(Ernest Rutherford)和尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)，学习原子物理学。
卢瑟福发现，每个原子都有一个带正电的核，称为“原子核”，玻尔则研究环绕这些正电核的电子的表现。
同年迟些时候，佩恩机缘巧合参加了亚瑟·爱丁顿(Arthur Eddington)在三一学院举办的讲座。在那里，爱丁顿公布了1919年日全食期间的考察结果。
他拍摄了有关恒星位置的照片，由于太阳牵拉星光，改变了光的路径，因此星星位置看起来发生了偏转。讲座期间，爱丁顿肯定了阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)提出的全新的广义相对论。而佩恩就此迷上了天文学。
1923年，她乘船抵达美国，开始了在哈佛大学天文台(Harvard College Observatory)和马萨诸塞州剑桥市拉德克利夫学院(Radcliffe College)的研究生学习。“她让自己进入了女性(在天文学领域)唯一可能取得成功的地方。”该天文台的天文摄影负责人汤姆·伯恩斯(Thom Burns)说。
佩恩加入天文台时，所有天文学家和学生都是男性。也有一些10—20岁的女性在台内工作，不过她们都是“计算机”(computers)——这个称谓专指进行运算的实验室助手。
在这些岗位上，女性负责辨认星星的光谱，记录可见星辰的变化。佩恩作为一名研究生研究员，担任了不同于其他女性的职责。
起初，佩恩的导师哈洛·夏普利(Harlow Shapley)敦促她接手“计算机”亨丽埃塔·斯旺·利维特(Henrietta Swan Leavitt)的工作。
利维特曾发现，部分恒星光线的变化可被用来测算距离。但佩恩对利维特的项目不感兴趣。“反之，她渴望把注意力放在几十年来几乎未被触及的光谱玻璃板上。”伯恩斯说。
这些涂着感光乳剂的玻璃板保存了星星的签名，而没有哪个研究所拥有的玻璃板比哈佛更多。
另一位“计算机”安妮·贾普·坎农(Annie Jump Cannon)当时一开始基于签名为恒星分类。佩恩希望，通过将她在纽纳姆学习的原子内部原理与近期有关物理学和化学的科学理论结合起来理解恒星，从而在这项工作中有所建树。
恒星的物理学原理
彼时，物理学研究加速发展，相关发现和科学理论在全世界传播。
研究人员已经找出了光谱板谱型的成因——电子绕原子核快速穿梭时发生能级变化，活动中发射和吸收光。
这种光的颜色为特定原子所有，也就是说，一个碳原子所含任一电子将总是吸收或发射等量的光以达到某一更活跃的状态，或回落到安静状态。
不出几年，科学家们就通过实验确定了大部分元素的原子中电子达到不同能级所需的能量大小。
通过对照星光光谱中这些特征性的光线，科学家便能找出光谱玻璃板上缺失的色彩或空白部分所完美对应的原子元素。
于是，他们得以确认构成的元素都有哪些。天上的星星在光谱上留下的空白，正是其气体吸收内部核反应堆燃烧流出的能量所造成的。
大部分此类实验室研究以中性元素为对象。恒星是超高温和高压的气体巨球，而尚无人找出这些极端条件将怎样改变不同元素的光谱。
佩恩在个人传记中记述，她将有关原子物理学的时兴理解与印度物理学家梅格纳德·萨哈(Meghnad Saha)的“天才洞见”结合了起来。萨哈当时刚刚确定了气体在不同温度和密度下的表现，尤其是所含电子在极端环境下的运动状况。
基于恒星的高温与高压条件，佩恩计算了哈佛的光谱盘中的星光谱线强度。“不同光谱线彼此间总是存在特定的强度关系。”弗雷贝尔说。在此基础上，佩恩就能计算出恒星中的元素丰度。
佩恩的研究表明，氢与氦这两大最轻的化学元素在恒星中的含量高得惊人，而重元素则相对较少。
她还描述了可见光谱型状的成因，即气态物质的内部压强与温度如何影响了光的特征。
爱荷华州立大学(Iowa State University)的恒星天体物理学家史蒂文·卡瓦勒(Steven Kawaler)认为，理解这些形状“对于借助光谱了解恒星大气的动力学至关重要。”他补充说，利用吸收线，佩恩不仅探索了元素丰度或温度条件，还了解了恒星内部具体在发生什么。
星星就是一切
佩恩于1925年完成了她的论文，并凭借它荣获拉德克利夫天文学博士学位。最开始，同时代的人们对她的发现持怀疑态度。
普林斯顿大学(Princeton University)知名天文学家亨利·诺利斯·罗素(Henry Norris Russell)，史上最杰出的恒星天文学家之一，也曾是佩恩最大的批评者之一。
为了回应他的担忧，她在谈到氢与氦时写道：“这些元素在恒星大气中的巨大丰度几乎肯定并非事实。”
卡瓦勒说，但文章其余部分则自信洋溢，这份声明“令一份原本使叫人倍感激动的结果暂时隐去光芒”。不过，仅仅四年之后，罗素就肯定了佩恩的发现。
这项工作“为我们确立了起点，我们由此开始认识恒星光谱都测量了什么。”用星光搜寻最古老之星的弗雷贝尔说。
佩恩的发现帮助未来研究者拼凑出在恒星的一生中，其表面之下发生了什么；恒星中心产生的能量如何抵达它们的外层；以及恒星如何在大爆炸中死亡，或在墨色苍穹中黯然消逝。
“星星就是一切，”乔伊斯说，“我们对于宇宙的一切所知，都从星星开始。”
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撰文：Liz Kruesi
编译：绿酒
版式设计：钱思琦
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来源：国家地理中文网