天文史上的今天 | 揭開恆星成分之謎：塞西莉亞?佩恩的故事

來自專欄 天文史上的今天

1900年5月10日，英國女天文學家塞西莉亞?佩恩出生，她揭開了恆星成分之謎。

4歲時的塞西莉亞?佩恩

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太陽的主要成分是氫，其次是氦，其餘元素含量極少，這一點在如今的天文學界早已成為一種基本知識。

但人類最初認識這一點，還要歸功於一位年輕的女士，她就是塞西莉亞?佩恩。那一年，她才25歲。

喜愛天文的英國少女

年輕時代的佩恩

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1900年5月10日，塞西莉亞?佩恩（Cecilia Payne）出生在英格蘭，是家中三個孩子之一。在她只有四歲的時候父親便去世了，她的母親不得不獨自養大三個孩子。

佩恩天資聰穎，很小便表現出對於數學等理科思維方面的天賦。1919年，佩恩獲得獎學金，去到劍橋大學紐納姆學院繼續深造，在那裡她修讀植物學，物理學和化學。也是在那裡，佩恩偶然間去聽了一次演講，而這次經歷將改變她的一生。

阿瑟·愛丁頓（1882~1944），英國物理學家，成就了愛因斯坦的人，他對1919年幾內亞灣日全食的觀測為廣義相對論提供了證據

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做演講的人是著名物理學家阿瑟·愛丁頓（Arthur Eddington），他向大家介紹了自己在1919年前往非洲西海岸幾內亞灣觀測日食，從而驗證愛因斯坦廣義相對論準確性的經歷。演講引人入勝，19歲的少女佩恩被完全吸引住了。她想學天文。

後來她回憶起那一天的情形：「那完全改變了我對世界的看法。我的世界遭到了劇烈的震蕩，以至於我似乎有一種類似精神崩潰的感覺。」

1919年，愛丁頓在非洲拍攝的日全食照片之一

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佩恩一向學業成績優異，她完成了全部學習，達到了畢業要求，可是卻拿不到學位，就因為她是女生。那時候的劍橋大學不向女性頒發學位，這一情況要到1948年以後才被改變。

可是佩恩一心想學習天文，想從事天文學研究，她不甘心由於自己的性別而就此放棄，於是她不斷尋找機會。非常幸運的是，當時美國哈佛大學天文台剛好有一個專門鼓勵女學生從事高等天文學研究的資助項目。在這個項目的資助下，在1923年的秋季，佩恩得以來到哈佛大學天文台，師從後來非常有名的哈羅·沙普利（Harlow Shapley）。

哈佛大學

哈佛大學天文台的大型折射式望遠鏡

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來到哈佛之後，佩恩很快融入了新的環境和人際圈子。除了提供一個職位給她，佩恩作為哈佛大學的學生，還可以自由瀏覽這裡數以十萬計，來自南北兩個半球的大量恆星圖像底板。這些圖像上恆星大多就是一個個的光點，但也有許多恆星的光譜圖，這些細細的線條能夠讓人了解每一顆恆星的化學成分。

佩恩將當時最新的原子結構與量子物理理論應用於對這些光譜資料的分析。在她之前從未有人進行過這樣的嘗試，因為在她之前，在哈佛大學天文台沒有人具有她這樣的知識背景。

恆星光譜圖，右側是不同恆星的編號，左側是不同的恆星光譜型，其背後往往反映了恆星的大小和溫度差異

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但佩恩不同，她關於玻爾原子結構的理論是由尼爾斯·玻爾親自給她上的課，後者是1922年度的諾貝爾物理學獎得主。她還仔細研究過印度物理學家薩哈（Meghnad Saha）的理論。

薩哈因在1920年導出熱電離方程而聞名於世，這一方程被廣泛用於恆星光譜數據的解譯。薩哈認為，恆星光譜形態與恆星溫度有關。恆星溫度越高，恆星中物質原子內的電子能級就越高，它們會躍遷到更外側的電子軌道上。而只要熱量足夠，最外層的電子就會逃離原子束縛而成為自由電子，留下一個帶正電荷的離子，並在光譜中留下痕迹。

1921年，在德國柏林訪問期間的印度物理學家薩哈

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基於薩哈的理論，結合自己在劍橋大學時的所學，佩恩開始對大量的恆星光譜線逐條進行研究。她分析了數以百計的光譜線強度，一個元素一個元素的核對，繪製和計算。

佩恩在哈佛大學的資助只能維持她一年的學習，也就是1923年~1924年，剛好足夠她完成自己的碩士學位研究。但沙普利希望她能留下來繼續做下去。最終，美國大學婦女聯盟給予的1000美元獎學金幫助佩恩爭取到了寶貴的第二年學習時間。

在哈佛大學天文台查看恆星底片的佩恩

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佩恩繼續進行著自己艱難的工作，測算在不同溫度狀態下不同恆星的元素含量。慢慢的，她意識到氫和氦，這兩種原子量最小的元素的含量要遠遠超越其他元素。這一結果出乎她的預料，也出乎所有人的預料。

恆星的成分

太陽的成分，按照體積比計算，氫佔到90%以上

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佩恩的計算結果令所有人感到驚訝，就連她在哈佛大學的導師都對此感到難以置信。出於謹慎起見，她的導師將佩恩的文章寄給了當時恆星成分研究的權威，普林斯頓大學的亨利·羅素（Henry Russell）。

儘管太陽里含有氫元素早在1860年代光譜學最初出現的時候就已經被人所知，但人們仍然難以相信佩恩的文章里所說的那樣：氫構成了太陽的主要成分。

亨利·羅素（1877~1957），佩恩對他並無太多好感

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光譜學研究已經顯示，恆星含有各種我們熟悉的元素，包括氧，硅，鋁和鐵等等，那既然這些元素地球上也都有，一種符合邏輯的推斷便是：或許這些成分的比例關係也和地球上是相似的：「天堂里不需要那麼多氫，一點點就夠了。」

羅素在1925年1月14日給佩恩的回信非常簡單，只有一句話：「氫的丰度超過金屬上百萬倍，很顯然，這是不可能的。」

哈羅·沙普利，佩恩在哈佛大學的導師

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儘管非常失望，但出於謹慎起見，佩恩再次回去仔細檢查了自己所用的方法，她始終認為自己沒有犯錯誤，但是她的導師，甚至這一領域的權威人物都否定了自己的結論，佩恩也很難再去質疑他們。

1925年春天，在佩恩撰寫的博士畢業論文中，她的措辭體現了她當時的處境。她在論文中表示，自己的測量數據顯示氫和氦的含量「高的令人難以置信」，因此「幾乎肯定是不真實的」。這種措辭的修改顯然讓大家非常滿意，畢竟在一個如此新興的學科，有些不那麼主流的觀點也是可以接受的，反而證明這一方向還有很多謎團等待解決。沙普利很快幫助佩恩發表了論文，而羅素也對此大加讚賞，佩恩也順利獲得了博士學位。

1925年，佩恩發表了題為《恆星大氣》的博士論文封面，這篇論文後來被認為是傳世的經典著作

來源：https://archive.org/stream/in.ernet.dli.2015.212833/2015.212833.Stellar-Atmospheres#page/n15/mode/2up

但是關於恆星氫元素丰度的問題仍然懸而未決。羅素決定親自解決這一問題並為此花費了整整4年時間。在此過程中，羅素不止一次地得到氫元素佔據主導地位的結論，但每一次羅素都頑固地拒絕相信這樣的結論並重新進行嘗試，直到最後再也無法拒絕。

1929年7月，羅素髮表了一篇論文《關於太陽大氣的組成》。在這篇論文中，這位當時的美國天文學權威最終得到了與4年前被他拒絕的佩恩同樣的結論並在論文中引述了佩恩當年的研究，以表達對她的工作的認可。他還在文中表示「這一結論是不容置疑的」，但絲毫沒有提到自己當年對於佩恩的質疑。

1929年，羅素髮表的論文《關於太陽大氣的組成》，其中得到了與佩恩一致的結論

來源：http://adsbit.harvard.edu

恆星，星系，乃至宇宙的物質組成面貌被完全改寫了。佩恩的工作開啟了一個嶄新的時代。至於佩恩後來的生活，她一生都沒有再離開哈佛大學天文台。起先是做博士後研究，再後來擔任了這裡的全職大學教授，最後得到了終生教職並一度擔任天文系的系主任，這也是哈佛大學的首位女性系主任。

很久很久以後，在她的回憶錄中，佩恩寫下了她對於羅素的看法，她說：「我尊敬他，害怕他，但不喜歡他。」

佩恩的簽名筆跡：Cecilia Payne Gaposchkin

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編者按：

《天文史上的今天》欄目是老嚴的一次個人歷險，試圖通過堅持365天，完整記錄一年中每一個日子在人類漫長的天文歷史中留下的印記。

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