揭秘恒星成分的天才——塞西莉亚·佩恩

塞西莉亚·佩恩被称为历史上最伟大的女天文学家。她在25岁时写了一篇非凡的博士论文，证明了太阳和其他恒星主要由氦和氢组成。她的天文故事以一次演讲开始。

1919年，英国天体物理学家阿瑟·爱丁顿在普林西普岛观测到日食，并观察到光受重力影响的现象。这一观察为证实爱因斯坦的广义相对论提供了强有力的证据。根据这一观察，爱丁顿在伦敦发表了演讲。刚刚进入剑桥的塞西莉亚·佩恩刚刚听了这首歌。也因为这次演讲改变了年轻女孩佩恩的生活，让她下定决心学习天文学。

塞西莉亚·佩恩(来源:网易新闻)

佩恩在剑桥大学学习期间表现很好，但不幸的是她无法获得学位。当时，英国学术界严重歧视女性。女性没有接受高等教育的学位，并且被限制从事科学研究。然而，这些并没有使佩恩放弃学习天文学。她总是在寻找机会。佩恩知道美国科学研究团体对女性的容忍度比英国高得多，并且有更多的机会从事天文学工作，因此他于1923年去了马萨诸塞州的哈佛大学天文台继续他的研究。

自19世纪80年代以来，哈佛天文台的研究人员对恒星光谱进行了一个接一个的整理和分类，最终将它们分为七类:O型、B型、A型、F型、G型、K型和M型。这是著名的哈佛恒星光谱分类。佩恩来到哈佛天文台后，与其他研究人员相处得很好，并从他们那里获得了所有关于恒星光谱的数据。基于之前的研究，佩恩开始通过这些恒星光谱分析恒星的化学组成和物理状态。

当时，研究人员通过分析恒星光谱确定恒星含有碳、钙、铁、硅等元素，这些元素是地球上常见的元素。因此，研究人员得出结论，恒星含有与地球相同的物质成分，各种物质成分的比例大体相似。直到1929年，这种观点一直是天文学的主流观点。

恒星光谱(来源:百度百科恒星光谱条目)

佩恩在原子物理学方面有深厚的理论基础。她利用自己的专业知识，利用当时最新的原子结构模型和梅纳德·萨哈的热电离平衡方程，创造性地分析了恒星光谱数据。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与光源的温度联系起来，所以这个方程可以确定恒星光谱和恒星温度之间的关系。

佩恩仔细研究了他手里的恒星光谱，检查并计算了不同元素和不同强度的谱线，最终发现了恒星光谱吸收线差异巨大的原因——不同的恒星温度有不同的电离度。这一发现也揭示了哈佛分类背后的含义。佩恩计算了不同温度下恒星的元素含量，但结果出乎意料——氢和氦占了恒星质量的绝大部分，远远超过了其他元素。佩恩再次通过了许多检查和计算，但结果仍然是一样的，所以她相信自己是对的，并在她的博士论文中解释了这一发现。

1925年，佩恩向他的导师沙普利展示了他的博士论文。沙普利也很难相信。毕竟，论文中的观点与主流观点相去甚远，所以他把佩恩的论文送给了当时的天文学权威亨利·罗素。不久，佩恩的研究结果被拉塞尔拒绝了。他的观点与主流观点一致。他认为恒星中的元素组成与地球中的相同，每种元素的含量与地球中的相似。尽管佩恩多次检查她的推理过程，并坚信她的研究结果是正确的，尽管她多次试图说服其他专家，但面对权威，她的努力是如此之弱。最后，她不得不违背自己的意愿在纸上加上一句话:“氢和氦的含量几乎是不真实的。”论文“修改”后，佩恩获得了博士学位，然后留在哈佛大学担任沙普利的助理教授，继续他对恒星光谱的研究。

四年后，经过多次研究和计算，罗素终于在他的论文《关于太阳大气层的组成》中承认了氢和氦占恒星质量的绝大多数的结论。尽管报纸引用了佩恩在那一年的研究，但他没有提及他对佩恩在那一年的成就的否决。

1934年，佩恩与天文学家谢尔盖·加博斯金结婚，与丈夫一起研究高亮度恒星，然后与助手一起观察变星。这些工作为人们研究恒星的演化提供了很多帮助。

塞西莉亚·佩恩在一个歧视女性的时代进行了研究。即使她的研究结果被权威人士否认，她也从未放弃研究，并以对天文学无限的热情继续坚持下去。她的天才令人钦佩，但她不屈不挠的精神更令人钦佩！

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[参考]

1论文《英国女子高等教育的起源与发展(1848-1948)》，作者:南京大学杨洋。

2论文“天文学里程碑中的女性荣耀”，伯颜著，《世界科学》，2017年3月。

3《三位美国女天文学家》，佩吉·奥尔德里奇·基德威尔和谢丽娟合著，《世界科学》，第04期，1992年。