数学史 · 中文镜像

数学家传记

亨丽爱塔·勒维特Henrietta Swan Leavitt

出生
1868年7月4日 美国马萨诸塞州伍斯特县兰开斯特
逝世
1921年12月12日 美国马萨诸塞州米德尔塞克斯县剑桥

亨丽爱塔·勒维特是一位美国天文学家,发现了造父变星的亮度和周期之间的关系。这是测量遥远星系距离的关键一步。

完整传记

亨丽爱塔·勒维特的父母是George Roswell 勒维特(1838-1911)和勒维特 勒维特 Kendrick(1844-1922)。George Roswell 勒维特是一位公理会牧师,出生于马萨诸塞州洛厄尔,曾在威廉姆斯学院学习,之后从安多弗神学院获得神学博士学位。他的父亲是Erasmus Darwin 勒维特,一位商人,而George Roswell 勒维特的一个兄弟也叫Erasmus Darwin 勒维特。勒维特的这位叔叔是一位工程师,因设计勒维特泵发动机而闻名。他是美国机械工程师学会的第二任主席,并当选为美国艺术与科学院会士。George Roswell 勒维特于1866年10月2日与勒维特 勒维特 Kendrick结婚,她是马萨诸塞州剑桥的Henry Kendrick的女儿。勒维特,即本传记的主人公,是她父母七个孩子中最年长的,其他孩子是Roswell Harvey Leavitt(生于1871年10月4日,幼年去世)、Martha Almira 勒维特(生于1873年8月1日)、George William(生于1875年9月2日)、Mira Fay 勒维特(生于1878年9月20日,2岁时去世)、Caroline Reed 勒维特(生于1880年5月16日)和Darwin Ashley 勒维特(生于1882年6月15日)。

在1870年人口普查时,勒维特两岁,住在马萨诸塞州米德尔塞克斯县洛厄尔她祖父的家中。户主是Erasmus Darwin 勒维特(老),当时60岁,已退休,房子由他57岁的妻子Almira管理。至少有另外十人住在这所房子里(都姓勒维特),包括当时34岁的Erasmus Darwin 勒维特(小),以及勒维特的母亲和父亲。

勒维特成为马萨诸塞州米德尔塞克斯县剑桥市朝圣者公理会的牧师,到1871年他的第二个孩子出生时,全家已住在剑桥。1880年的人口普查让我们看到勒维特一家住在沃兰德街9号,靠近乔治担任牧师的教堂。乔治被列为户主,妻子“操持家务”。他们的七个孩子中有五个在家,最大的两个,勒维特和玛莎,在上学。同住的还有勒维特的姑妈玛丽·肯德里克,以及25岁的仆人凯瑟琳·麦克唐纳。住在隔壁沃兰德街11号的,是勒维特的祖父伊拉斯谟斯·达尔文勒维特,与妻子阿尔米拉和女儿阿尔米拉(记录显示她患有脊柱疾病)。伊拉斯谟斯有一名22岁的仆人艾达·L·马斯顿。

勒维特一家搬到俄亥俄州克利夫兰,1885年勒维特进入奥柏林学院。这所学院成立于1833年,自建校起就实行男女同校,是美国最早的男女同校学院。她在1885-86学年学习预科课程,然后在1886-88两年进行本科学习。完成课程后她回到剑桥,并于1888年申请进入拉德克利夫学院。严格说来这并不准确,因为拉德克利夫学院直到1894年才如此命名。哈佛大学的一些教授在1870年代开始以非正式安排教授女性,这于1879年成为女性大学教育促进会。在被录取之前,她接受了古典文学知识的测试,必须写一篇短文,接受了拉丁语、希腊语和德语语言技能的测试,接受了历史以及数学、物理和天文学知识的测试。除历史外,她成功通过了所有这些测试,但获准在课程期间“弥补这一不足”。

勒维特在女性大学教育促进会所修的课程非常偏重文科,科学内容很少。她修了拉丁语、希腊语、英语、德语、法语和意大利语的语言课程。她还学习了美术、哲学、入门物理和数学。这门课程涵盖解析几何和微分,她因此获得A,但在最后一年修的天文学课程中她获得A-。她于1892年6月毕业,获得一份证书,上面写明如果她是男性,就有资格获得文学学士学位。

她最后一年的天文学课程是在哈佛天文台修的,毕业后她提出免费在天文台工作。当时天文台的负责人是爱德华·查尔斯·皮克林,他曾在麻省理工学院任物理学教授,1876年被任命为哈佛天文台台长。他认为天文台的任务是尽可能多地收集恒星数据,以便帮助他人进行理论工作。他的目标是尽可能多地列出恒星的位置、颜色和星等。他很高兴能得到勒维特的协助而无需付她报酬,便给她布置了研究照相底片的任务,她必须从中记录所需数据。然而,已知许多恒星的亮度会变化,所以勒维特的任务之一就是留意这类变星。1896年间,她写成了自己发现的手稿草稿。

1896年9月,勒维特申请了出国护照。此时她住在剑桥波特,该地如今是剑桥的一部分,但当时是紧邻剑桥的一个独立城镇。申请是为了让她出国并“在大约两年内”返回。申请中给出了勒维特的体貌特征:年龄——28岁,身高——5英尺8英寸,前额——高,眼睛——灰色,鼻子——长,嘴——中等,下巴——长,头发——黑色,肤色——浅,脸型——长。她从波士顿乘船前往欧洲。返回后,勒维特前往哈佛与皮克林讨论她的工作。皮克林就她如何改进手稿提出了一些建议,随后勒维特动身前往威斯康星州贝洛伊特的罗克,她的父亲当时在那里担任公理会牧师。1900年人口普查记录这家人住在贝洛伊特查芬街1263号;勒维特的父母和他们五个在世的孩子都在这个地址。此时她自称教师,并在贝洛伊特学院教授艺术。然而,她渴望重返天文学工作,但正如她在1902年5月13日写给皮克林的信中所解释的,她面临各种困难。她写道:——

我回来后的那个冬天被意外的操劳占满了。当我终于有空重拾工作时,我的眼睛严重困扰着我,使我无法如此近距离地使用它们。

她一直在做的工作需要非常仔细、紧张地检视照相底片上的图像,这导致她眼睛出问题,一点也不奇怪。然而,她的眼睛现在已康复,她希望皮克林把她完成1896年一直在做的手稿所需的材料寄给她。她的信继续写道:——

我无比遗憾地告诉你,我如此欣喜地承担、并怀着极大乐趣推进到一定程度的这项工作,竟被搁置未完成。我非常真诚地为这么久没有就此事写信而道歉。我的听力有些问题,有点奇怪地担心,观星可能会使它更糟。我的朋友们说,我也认识到这是事实,当我全神贯注于天文工作时,我的听力远不如平时好。寒冷的天气似乎加重了我的状况。显然,我无法在任何学校或学院教授天文学,因为那样我就得在寒冷的冬夜带班级外出。我的耳科医生禁止任何这样的暴露。你认为我有可能在某个天文台或冬季气候温和的学校找到工作吗?除了你自己之外,还有我可以申请的人吗?

皮克林立即回信,向她提供了一个全职职位:——

考虑到你的工作质量,我愿意为此支付每小时三十美分,尽管在此类情况下我们通常的价格是每小时二十五美分。如果你无法搬迁,我会支付你到剑桥短期访问的路费。你可以在那里工作,以便把工作带回家乡贝洛伊特。我不知道有哪个位于温暖气候的天文台可以雇用你从事类似工作,而且也很难为你提供大量你可以在其他地方进行的工作。无论如何,我怀疑天文学与你的听力状况有什么关系,除非有优秀的耳科医生向你确认情况确实如此。

勒维特回复道:-

亲爱的⟦N2⟧教授,我已设法安排好这里的事务,以便下个月能前往剑桥并留在那里直到工作完成。你提出的每小时三十美分的非常慷慨的报酬将使我能够做到这一点。

为了在七月底前到岗,勒维特出发前往剑桥,但在俄亥俄州停留探望一位亲戚时,她发现这位亲戚生病了,于是她花时间帮忙照料。这使得到达剑桥的时间推迟到了八月底。

她没工作多久就去度冬假了,并于1903年1月1日申请了护照。她的体貌特征描述与1896年早先申请时的描述完全相同,只是现在她把头发描述为“深色”而非“黑色”。她要求将护照寄往意大利那不勒斯的美国领事馆,因此她一定是前往那不勒斯。她肯定在S S Commonwealth上,因为她在1月3日从该船寄出了一封信。在欧洲逗留一段时间后,她于7月29日从英格兰利物浦出发,乘坐S S Ivernia,于8月6日抵达波士顿。从波士顿她乘火车前往伯洛伊特,然后返回剑桥,再次担任天文台的固定职位。她与叔叔、工程师勒维特一起住在他建在剑桥花园街的一栋大别墅里,距离天文台只有很短的步行路程。

1904年春天,她在检查阿雷基帕天文台拍摄的小麦哲伦云底片时,发现了变星。小麦哲伦云和大麦哲伦云是靠近银河系的星系。为了对距离有个概念,小麦哲伦云的直径约为7,000光年,距离银河系约190,000光年。大麦哲伦云的直径约为14,000光年,距离银河系160,000光年。银河系本身的直径约为140,000光年。两个麦哲伦云都只能从南半球看到。1891年阿雷基帕天文台在秘鲁建立后,南天恒星的底片被送往哈佛天文台。勒维特正在处理的正是这些底片,测量恒星的星等和位置。她开始发现“数量异常多”的变星——这是她自己的话。

1908年,勒维特在21页的论文1777 Variables in the Magellanic Clouds中完整叙述了她的工作。论文开头如下:-

1904年春天,用24英寸布鲁斯望远镜[在阿雷基帕天文台]拍摄的两张小麦哲伦云照片的比对,导致发现了若干暗弱变星。由于该区域似乎很有趣,又检查了其他底片,尽管其中大多数底片的质量低于后来底片通常的高标准,仍发现了57颗新变星,并在第79号通函中宣布。为了提供确定其周期的材料,次年秋天用布鲁斯望远镜拍摄了16张曝光时间从两到四小时的底片系列。当它们于1905年1月抵达剑桥时,将其中一张与早期底片比对,立即发现了异常数量的新变星。还发现,相隔两三天拍摄的底片可以比对,结果同样有趣,表明许多变星的周期很短。迄今为止这样发现的数量为969颗。加上此前已知的23颗,该区域变星总数为992颗。还用24英寸布鲁斯望远镜拍摄的18张照片检查了大麦哲伦云,发现了808颗新变星,其中152颗在第82号通函中宣布。由于讨论这些变星需要大量时间,下面准备了临时星表。

在论文末尾,她给出了16颗变星的列表,显示了它们的周期和星等。然后她作出了重要陈述:-

值得注意的是,较亮的变星具有较长的周期。

让我们注意,由于当时还不知道距离尺度,银河系中变星的绝对星等无法从其视亮度估计。然而,小麦哲伦云中的恒星,由于距离地球至少大致相同,其绝对星等可以从视星等相当准确地推断出来。这使得勒维特能够做出极其重要的观察,即变星的周期与其绝对星等相关。然而,尽管结果令人信服,它们仅基于十六颗恒星的样本。勒维特需要继续进一步测量。然而,这项工作因她生病而中断。

到1908年12月,勒维特在波士顿住院。出院后,她去了贝洛伊特,与父母和两个未婚兄弟同住:乔治William Leavitt,现在是传教士,以及达尔文·阿什利勒维特,现在是公理会牧师。1909年的大部分时间她都在贝洛伊特的家中度过,打算秋天恢复天文台的工作。然而,“小病”使她无法实现这一目标。皮克林热切希望她回来,但不是从事变星项目,而是从事他最喜欢的项目,即获取靠近北极星的96颗恒星的精确数据。最终,当她仍然身体不够好,无法来剑桥时,皮克林把材料寄给她在贝洛伊特工作。她处理了这些底片,将数据送回哈佛天文台,直到1910年5月她身体足够好,可以恢复在剑桥的工作。

随后她的工作又多次中断,例如1911年3月她的父亲去世,她再次回到位于Beloit的家中。她再次收到用于研究96颗近北极星恒星的底片,并在Beloit期间继续研究这些。1911年秋天她回到剑桥,除了其他工作外,她能够继续研究小麦哲伦云中的变星。她的工作报道在1912年的一份哈佛通告中,她在其中写道:-

这些变星的亮度与其周期长度之间的显著关系将会被注意到。[在1908年的论文中]曾提请注意较亮的变星具有较长周期的事实,但当时认为数量太少,不足以得出一般结论。然而,此后确定的8颗额外变星的周期符合相同的规律。这种关系以图形显示……得到的曲线,一条为极大值,一条为极小值,异常平滑,且形式非凡。……在对应于极大值和极小值的两组点中,可以轻松地画出一条直线,从而表明变星的亮度与其周期之间存在简单关系。周期每增加一个星等亮度,周期的对数增加约0.48……由于这些变星可能距离地球几乎相同,它们的周期显然与其实际发光量相关,这由其质量、密度和表面亮度决定。

勒维特没有将这些变星称为造父变星,但今天它们以该名称闻名,源于1784年由弗瑞兹·约翰 Goodricke发现的第一颗此类恒星。勒维特的发现使得宇宙的尺度得以确定,尽管还需要更多工作,因为她发现的关系只能确定相对距离,而需要其他技术来确定至少一颗此类变星的距离以校准尺度。勒维特没有机会参与这项工作,因为Pickering将她的技能用于其他项目。

在接下来的四年里,勒维特在哈佛天文台工作,除了1913年上半年因胃部手术而中断了三个月。她完成了关于北极星附近96颗恒星的工作并发表了结果,这是一项非凡的工作,她和利用来自13台不同望远镜拍摄的299张底片的数据进行了反复核对。

哈罗·沙普利正在研究银河系的大小,他于1917年8月联系Pickering,向勒维特询问关于球状星团中变星的问题。他在信中写道:-

我相信,她发现周期与亮度的关系,注定会成为恒星天文学最重要的成果之一。

直到1918年7月再次写信后,哈罗·沙普利才收到皮克林的回复,说勒维特有底片可以研究他的问题。1920年她亲自与哈罗·沙普利通信,询问她应该将研究重点放在什么上,他回复时再次建议研究球状星团中的变星。1921年3月,哈罗·沙普利成为哈佛天文台台长,此时勒维特是恒星测光部门的负责人。然而,到1921年11月,她已因胃癌病重,像此前一段时间那样,与母亲住在剑桥的林奈街。一位朋友于12月6日探望了她,并写道:-

去看望可怜的勒维特,她正因恶性胃病而垂危。如此消瘦,变化如此之大。非常、非常令人悲伤。

勒维特于12月12日晚上10点30分去世,她的葬礼于12月14日在第一公理会教堂的小礼拜堂举行。她被安葬在剑桥公墓。我们注意到,她的母亲并没有比她多活多久,因为母亲于1922年去世。尽管勒维特去世时没有立遗嘱,但她拥有伯洛伊特两处相邻房产的一部分,她去世后,她的份额归了她的兄弟们(因为她的母亲在此事解决之前已经去世)。

还有一点必须补充。1925年,约斯塔·米塔格-莱弗勒写信到哈佛天文台给勒维特,并不知道她已经去世。他写道:-

勒维特,我的朋友兼同事、乌普萨拉的冯·蔡佩尔教授告诉我,你令人钦佩地发现了小麦哲伦云中S造父变星的星等与周期长度之间关系的经验定律,这给我留下了如此深刻的印象,以至于我认真倾向于提名你为1926年诺贝尔物理学奖候选人……

这封信被交给了Shapely,他告知了约斯塔·米塔格-莱弗勒勒维特的死讯。然而,他的回复并不光彩,因为很明显他试图将勒维特的发现的大部分功劳归于自己,可能是希望约斯塔·米塔格-莱弗勒能提名他获得诺贝尔奖!

参考文献

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延伸资源

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