船尾座RS星的華麗光影秀

• 撰文｜許世穎

「造父」是周穆王的專屬司機，也是現在「趙」姓的始祖。以它為名的「造父變星」則是標準燭光的一種，讓我們可以量測外星系的距離。這幫助哈柏發現了宇宙膨脹，大大開拓了人們對宇宙的視野。然而發現這件事情的天文學家勒梅特卻沒有獲得她該有的榮譽。

宇宙中的距離指引：標準燭光

經過了三篇文章的鋪陳以後，我們終於要離開銀河系，開始量測銀河系以外的星系距離。在前作＜天有多大？宇宙中的距離（3）—「人口普查」＞中，介紹了距離和亮度的關係。想像一支燃燒中、正在發光的蠟燭。距離愈遠，發出來的光照射到的範圍就愈大，看起來就會愈暗。

我們把「所有發射出來的光」稱為「光度」，而用「亮度」來描述實際上看到的亮暗程度，而它們之間的關係就是平方反比。一旦我們知道一支蠟燭的光度，再搭配我們看到的亮度，很自然地就可以推算出這支蠟燭所在區域的距離。

舉例來說，我們可以在台北望遠鏡觀測金門上的某支路燈亮度。如果能夠找到那支路燈的規格書，得知這支路燈的光度，就可以用亮度、光度來得到這支路燈的距離。如果英國倫敦也安裝了這支路燈，那我們也可以用一樣的方法來得知倫敦離我們有多遠。

我們把「知道光度的天體」稱為「標準燭光（Standard Candle）」。可是下一個問題馬上就來了：我們哪知道誰是標準燭光啊？經過許多的研究、推論、歸納、計算等方法，我們還是可以去「猜」出一些標準燭光的候選。接下來，我們就來實際認識一個最著名的標準燭光吧！

「造父」與「造父變星」

「造父」是中國的星官之一。傳說中，「造父」原本是五帝之一「顓頊」的後代。根據《史記‧本紀‧秦本紀》記載：造父很會駕車，因此當了西周天子周穆王的專屬司機。後來徐偃王叛亂，造父駕車載周穆王火速回城平亂。平亂後，周穆王把「趙城」（現在的中國山西省洪洞縣一帶）封給造父，而後造父就把他的姓氏就從本來的「嬴」改成了「趙」。因此，造父可是趙姓的始祖呢！（《史記‧本紀‧秦本紀》：造父以善御幸於周繆王……徐偃王作亂，造父為繆王御，長驅歸周，一日千里以救亂。繆王以趙城封造父，造父族由此為趙氏。）

回到星官「造父」上。造父是「北方七宿」中「危宿」的一員（圖一），位於西洋星座中的「仙王座（Cepheus）」。一共有五顆恆星（造父一到造父五），清代的星表《儀象考成》又加了另外五顆（造父增一到造父增五）。^[3]

英籍荷蘭裔天文學家約翰‧古德利克（John Goodricke，1764-1786）幼年因為發燒而失聰，也無法說話。1784 年古德利克（John Goodricke，1764-1786）發現「造父一」的光度會變化，代表它是一顆「變星（Variable）」。2 年後，年僅 22 歲的他就當選了英國皇家學會的會員。卻在 2 週後就就不幸因病去世。^[4]

造父一這顆變星的星等在 3.48 至 4.73 間週期性地變化，變化週期大約是 5.36 天（圖二）。經由後人持續的觀測，發現了更多不同的變星。其中一群變星的性質（週期、光譜類型、質量……等）與造父一接近，因此將這一類變星統稱為「造父變星（Cepheid Variable）」。^[5]

勒維特定律：週光關係

時間接著來到 1893 年，年僅 25 歲的亨麗埃塔‧勒維特（Henrietta Leavitt，1868-1921）她在哈佛大學天文台的工作。當時的哈佛天文台台長愛德華‧皮克林（Edward Pickering，1846-1919）為了減少人事開銷，將負責計算的男性職員換成了女性（當時的薪資只有男性的一半）。^[6]

這些「哈佛計算員（Harvard computers）」（圖三）的工作就是將已經拍攝好的感光板拿來分析、計算、紀錄等。這些計算員們在狹小的空間中分析龐大的天文數據，然而薪資卻比當時一般文書工作來的低。以勒維特來說，她的薪資是時薪 0.3 美元。順帶一提，這相當於現在時薪 9 美元左右，約略是台灣最低時薪的 1.5 倍。^[6][7][8]

勒維特接到的目標是「變星」，工作就是量測、記錄那些感光板上變星的亮度 。她在麥哲倫星雲中標示了上千個變星，包含了 47 顆造父變星。從這些造父變星的數據中她注意到：這些造父變星的亮度變化週期與它們的平均亮度有關！愈亮的造父變星，變化的週期就愈久。麥哲倫星雲離地球的距離並不遠，可以利用視差法量測出距離。用距離把亮度還原成光度以後，就能得到一個「光度與週期」的關係（圖四），稱為「週光關係（Period-luminosity relation）」，又稱為「勒維特定律（Leavitt’s Law）」。藉由週光關係，搭配觀測到的造父變星變化週期，就能得知它的平均光度，能把它當作一支標準燭光！^[6][8][10]

從「造父變星」與「宇宙膨脹」

發現造父變星的週光關係的數年後，埃德溫‧哈柏（Edwin Hubble，1889-1953）就在 M31 仙女座大星系中也發現了造父變星（圖五）。數個世紀以來，人們普遍認為 M31 只是銀河系中的一個天體。但在哈柏觀測造父變星之後才發現， M31 的距離遠遠遠遠超出銀河系的大小，最終確認了 M31 是一個獨立於銀河系之外的星系，也更進一步開拓了人類對宇宙尺度的想像。後來哈柏利用造父變星，得到了愈來愈多、愈來愈遠的星系距離。發現距離我們愈遠的星系，就以愈快的速度遠離我們。從中得到了「宇宙膨脹」的結論。^[10]

造父變星作為量測銀河系外星系距離的重要工具，然而勒維特卻沒有獲得該有的榮耀與待遇。當時的週光關係甚至是時任天文台的台長自己掛名發表的，而勒維特只作為一個「負責準備工作」的角色出現在該論文的第一句話。哈柏自己曾數度表示勒維特應受頒諾貝爾獎。1925 年，諾貝爾獎的評選委員之一打算將她列入提名，才得知勒維特已經因為癌症逝世了三年，由於諾貝爾獎原則上不會頒給逝世的學者，勒維特再也無法獲得這個該屬於她的殊榮。^[12]

本系列其它文章：

天有多大？宇宙中的距離（1）—從地球到太陽
天有多大？宇宙中的距離（2）—從太陽到鄰近恆星
天有多大？宇宙中的距離（3）—「人口普查」
天有多大？宇宙中的距離（4）—造父變星

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參考資料：

[1] Astronomy / Meet Henrietta Leavitt, the woman who gave us a universal ruler
[2] wiki / 危宿敦煌星圖
[3] wiki / 造父 (星官)
[4] wiki / John Goodricke
[5] wiki / Classical Cepheid variable
[6] wiki / Henrietta Swan Leavitt
[7] Inflation Calculator
[8] aavso / Henrietta Leavitt – Celebrating the Forgotten Astronomer
[9] wiki / Harvard Computers
[10] wiki / Period-luminosity relation
[11] Universe Today / What are Cepheid Variables?
[12] Mile Markers to the Galaxies

宇宙有多大？在望遠鏡發明之前，古人所能想像的宇宙就是太陽系。隨著望遠鏡的性能越來越強，人們才發現更多肉眼看不見的星星，也才發覺這些天體其實距離我們非常遙遠。然而即使到了二十世紀初，人們所持的仍是封閉的宇宙觀，只是規模擴大了些。當時普遍認為我們太陽系被天空所有的恆星和星雲包圍著，而這些天體全都屬於同一個星系──也就是銀河系。銀河系就是整個可觀測宇宙，在這之外一無所有。

因此，雖然早從十七世紀開始，就陸續有許多天文學家注意到仙女座星系 (Andromeda Galaxy) 類似氣體的雲霧，甚至拍到清晰的螺旋結構，大家仍以為它只是銀河系中一個正在形成類似太陽系的星雲，只有少數天文學家懷疑它是位於銀河系外的星系。

1924年的今天，美國天文學會在華盛頓特區召開一連三天的研討會。天文學家哈伯並未出席，但是最後一天有同事代他朗讀了一篇論文，正式宣告仙女座星系不在銀河系內，而是距離遙遠的另一個類似銀河系的星系。人類才終於開始了解我們所在的銀河系只是浩瀚宇宙中的一個小島，也就是所謂的「島宇宙」。

哈伯掌握到的關鍵證據在於仙女座星系中的一顆造父變星 (Cepheid) 。造父變星的亮度會週期性地改變，奇妙的是，越亮的變星，其亮度變化的週期越長。因此兩顆閃爍頻率一樣的造父變星，它們的絕對星等也應該相同；如果其中一顆看起來的亮度是另一顆的四倍，那麼按照平方比定律，較暗的那一顆的距離就是較亮那一顆的兩倍。哈伯就是因此估算出仙女座星系距離我們一百萬光年（目前的估計值是250萬光年）。

造父變星的亮度與變化週期之間的關係是勒維特 (Henrietta Leavitt, 1868－1921) 於1912年發現的。當時女性仍不被允許操作天文望遠鏡，頂多只能擔任計算員，負責繁複的計算工作。勒維特大學畢業後，自1893年起在哈佛大學的天文台工作，日復一日地檢視一大堆感光底片，記錄各種天體的亮度變化。也因為近二十年，幾萬小時的投入，她才能在那尚無電腦的年代，在大、小麥哲倫星雲的造父變星中發現這個規律。因為勒維特這個重大發現，哈伯才能確認仙女座星系的距離，也因此才徹底改變了人類對宇宙的認知。

1924年，瑞典科學院想提名她角逐諾貝爾獎，才得知她已罹癌身亡，永遠來不及授予她應有的榮耀了。

本文同時收錄於《科學史上的今天：歷史的瞬間，改變世界的起點》，由究竟出版社出版。

卡內基科學研究所天文臺（Observatories of the Carnegie Institution for Science）天文學家Wendy Freedman等人對外公告：他們利用史匹哲太空望遠鏡（Spitzer Space Telescope）觀測資料，獲得迄今最精確的哈柏常數（Hubble constant），也就是宇宙膨脹的速率，為每秒、每百萬秒差距74.3公里（寫為74.3km/sec/Mpc）。

哈柏常數首度由著名天文學家愛德溫‧哈柏（Edwin P. Hubble）於1920年代在確認宇宙自137億年前大霹靂後便向外膨脹後提出的。1990年代後期，天文學家發現宇宙膨脹速度隨著時間增加。確認膨脹速率，是瞭解宇宙年齡和大小的關鍵要素。

史匹哲測量了我們銀河系中10個造父變星，還有鄰近的大麥哲倫星系（arge Magellanic Cloud，LMC）中的80顆造父變星的視亮度，並由此計算它們的距離。與哈柏太空望遠鏡（Hubble Space Telescop）是用可見光和短波紅外光（或稱近紅外光）觀察宇宙不同，史匹哲太空望遠鏡是以長波紅外光（遠紅外光）進行測量，最後得出哈柏常數為每 秒、每百萬秒差距74.3公里。其中，1百萬秒差距（megaparse，Mpc）約相當於300萬光年。這個測量結果，與去年利用超新星研究所得哈柏常 數相符，且至少比2001年利用哈柏太空望遠鏡資料、以和這次類似的分析方式所得的結果還好1/3～1/2以上。

此外，這些哈柏常數的測量，結合先前利用威金森微波各向異性探測器（Wilkinson Microwave Anisotropy Probe，WMAP）公布的資料，可以獨立測量暗能量這種宇宙最神秘的組成之一。一般認為暗能量可抵抗重力，促使宇宙向外膨脹。基於這項研究而獲得宇宙 加速膨脹結論的研究學者們，甚至獲得2011年諾貝爾物理獎的榮耀。這是個龐大的謎團。利用史匹哲太空望遠鏡，可以測量精確的現階段宇宙膨脹速率，也可以 從另一個角度來測量宇宙中的暗能量含量。

由於史匹哲可以用遠紅外波段進行觀測，避開塵埃的阻擋，因此可以更精確的監測造父變星（cepheid）的動態，並由此測量哈柏常數。造父變星是所謂 的脈動變星（pulsating star），因體積漲縮而使亮度改變，且距離愈遠者、造父變星的本質亮度愈亮、變光週期愈長。1908年，Henrietta Leavitt發現造父變星這種特性，讓造父變星成為天文學家的量天尺之一，使天文學家可以直接測量這些天體的距離。一旦知道這些天體的距離，便可計算它 們遠離我們的速度，宇宙膨脹速率因此而被揭露。

史匹哲太空望遠鏡所做的貢獻已超過原本預計要做的還多很多，不但有能力可以研究系外行星大氣層，現在，在史匹哲任務的最後一年，它甚至跨足成為研究與 宇宙論的利器。雖然看起來史匹哲的哈柏常數資料只比哈柏好了1/3～1/2，所提升的精確度只有一點點，但無可否認地，就一個原本不是做此用途的太空望遠 鏡而言，它所達成的成就確實非凡。

資料來源：NASA’s Infrared Observatory Measures Expansion of Universe. NASA JPL [October 03, 2012]

轉載自 網路天文館