Oh Be A Fine Girl... 恆星分類的故事

讀完八月份的 S&T John Dvorak 先生這篇專欄時, 還真有點感動到, 真是有趣的故事呀... 基本上這是個關於幾位才華洋溢卻被忽略, 至少所得之讚譽, 遠低於其所成就 "女性" 天文學家的故事. 不過我只是筆記心得而已, 可不是翻譯喔, 還有很多專業的小地方似懂非懂呢. 網路上也可以找到很多關於哈佛計算員, 皮克林後宮, 女性天文學家... 等相關介紹文章.

好, 就算像我這種看星星僅因趣味、僅為消遣者而言, 也一定會注意到這組依恆星質量與溫度分類的字母: O, B, A, F, G, K, M. 它既沒順序, 也找不到邏輯, 怎麼開始? 又如何變成今日的模樣? 這些問題就要從第一個去辨識恆星光譜的人, 德國物理學家夫朗和斐(Joseph von Fraunhofer) 說起. 夫朗和斐先生在觀察太陽光譜時發現, 譜線帶間竟有許多黑線? 不過當時他並不知道原因. 這個謎, 一直到另一位德國物理學家, 克希荷夫 (Gustav Kirchhoff) 與化學家, 羅伯特本生(本生燈就是以他命名) 的合作才終於露出曙光. 大致上黑線, 代表太陽氣層的元素, 元素吸收了對應的光譜, 於是出現暗帶... 專業的部分請參考 Wiki (http://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%A4%AB%E6%9C%97%E5%92%8C%E6%96%90%E8%AD%9C%E7%B7%9A).

當時全球天文學家們 "大致" 都能接受這說法, 並且躍躍欲試. 當然啦, 天空有這麼多恆星, 能夠分個類的確是個不錯的主意. 而其中最早進行, 也最熱血的是一位義大利神父, 大名鼎鼎的安吉洛西奇 (Father Pietro Angelo Secchi). 西奇神父把一大塊菱鏡擺在折射鏡上, 心想天空掃一掃會不會就是五彩繽紛的萬花筒呢? 結果當然不是, 不過因此他發現, 繁星點點其實可以歸納成幾種基本型態, Type I 是像織女星、天狼星這種藍白色星, 其光譜會顯現出少量的寬暗帶, 這暗帶是存在氫元素吸收的表徵; Type II 則是像五車二 (Capella)、太陽這類黃色恆星; 至於 Type III 和 IV 是紅色恆星. 第五種... 看不太懂, 不敢亂寫, >"<.

到了 1877 年, 西奇神父就這樣憑藉雙眼, 一顆一顆的分類了差不多有 4000 顆星. 同時西奇神父的手法也廣被流傳... 也就是說, 全世界都有人在做恆星分類, 大家各有各的設備, 不同的方法、技巧... 不過基本上再怎麼厲害, 用的還是萬能雙眼. 你可以想像一下就知道那有多難了. 然而這些努力與成果, 在與天文攝影技術進步之下的成就相比, 簡直就是小兒科... 不過不管如何, 想要有偉大成就的捷徑, 永遠是最好有源源不絕的資源...或金援.

亨利杜雷伯 (Henry Draper) 就是符合以上條件的其中一位. 出身美國上流社會的好野人,  他家學淵源, 老爸是世界上第一位用相機拍月球的人, 他自己則是第一個利用攝影技術來捕捉恆星光譜黑線的人, 同時都算是天文攝影的先驅, 不僅如此, 杜雷伯先生也拍下世界上第一張獵戶座大星雲照片, 厲害厲害. 他不但擁有先進的攝影設備, 也有一流的天文器材, 用自己一手設計製造的 28 吋卡式鏡拍織女星, 可以解析出 4 條氫線, 在當時, 其他人只能晾在一旁流口水. 可惜天妒英才, 杜雷伯先生 45 歲就英年早逝... 留下他的遺孀 Anna Palmer Draper 繼承夫志. 這兩人可說是真正的夫唱婦隨, 老公拍照, 老婆在旁幫忙紀錄, 調化學藥劑, 選玻璃板... 甚至兩夫妻的 "蜜月旅行" 主題竟是出門尋找那隻 28吋鏡玻璃的旅程...

光有錢、有興趣是搞不出什麼名堂的... 正當杜雷伯夫人孤軍奮戰時, 一位他們的密友, 也是哈佛天文台的台長, 愛德華皮克林 (Edward Pickering) 慫恿杜雷伯夫人, 不如捐筆錢給哈佛弄個實驗室, 跟我們天文台一起合作... 嗯, 聽起來不錯, 所以杜雷伯夫人在 1886 年的 2 月 14 情人節成立了亨利杜雷伯紀念基金會, 紀念她熱愛天文的老公情人, 並資助哈佛天文台近半世紀, 對恆星分類研究的貢獻不可言喻.

事實上亨利杜雷伯紀念基金會贊助之前, 皮克林已經利用攝影技術做恆星分類多時, 當時因為女性工資低廉, 哈佛天文台 12 個工作人員裡面有半數的男性在操作望遠鏡、拍照, 另外還有半數的是女性, 她們的工作內容單調、重複, 不過就是檢查相片、分類. 沒有人想到, 這裡面有一位女生居然只憑藉敏銳的雙眼與無比的細心, 讓這反覆沉悶的研究工作爆出火花. 她是威廉敏娜.佛萊明 (Williamina Fleming), 本來是皮克林先生家裡的女傭, 據說皮克林先生不爽一位男性工作人員, 跟他嗆聲說: 你做得有什麼了不起? 我家女傭都可以做比你好... 就這樣, 佛萊明小姐開始她重複、簡單計算、漫無止盡的分類工作.

佛萊明小姐使用的是杜雷伯分類法, 其實是沿用當年西奇神父的分類, 只是比起肉眼觀察與記憶的土方法, 哈佛的方法科學多了. 把一塊菱鏡擺在折射鏡上, 後端用一塊 8"X10" 的玻璃板, 曝光 5 分鐘讓星星的光譜顯影出來. 這片玻璃板大小差不多是北斗七星勺子面積的 2 倍. 然後就這樣, 一塊一塊的巡天.

佛萊明小姐當時檢視的玻璃板上, 紀錄光譜的面積小得不得了, 換算起來: 1.27cm X 0.03cm, 有夠小. 她把光譜拉長 5 倍, 然後用放大鏡看, 這樣可比肉眼看到的豐富許多. 佛萊明小姐仔細的檢視每一片拍完的玻璃板之後, 越看, 就越覺得西奇神父的分類實在不夠用, 於是她大膽的把分類擴增到 13 種, 但還是沿用西奇分類的邏輯順序. 西奇分類的 Type-I 細分出 A, B, C, D; Type-II 有 E ~ L; M 是 Type-III; N 是 Type-IV; O 是 Type-V. 然後她還加了兩類, P 是行星狀星雲, Q 是其他. 這裡面沒有用到 "I", 因為跟德文的 "J" 很容易混淆. 幾年下來, 佛萊明小姐檢視了 633 張照相玻璃平板, 記錄了 28266 種光譜特性, 分類了 10351 顆星星.

這種 "放大" 的解法方向是對的, 所以實驗室進一步掛了 4 塊菱鏡在望遠鏡上, 這樣每一顆亮星的光譜就能夠顯示得更大更清楚, 為什麼? 呃... 我也不知道 >"<. 總之, 如此一來光譜顯現得無比豐富, 還記得亨利杜雷伯當年前無古人, 有四條黑線的織女星光譜照嗎? 用現在這種高色散的技術, 一口氣可以看到數百條呢. 所以皮克林先生決定再請一位小姐來幫忙, 這位小姐是亨利杜雷伯先生的姪女, 名字叫安東尼亞茉莉 (Antonia Maury) ---- 自己亂翻的, 毛莉還是茉莉? 我比較喜歡茉莉 ^^".

茉莉小姐畢業於美國所謂七姊妹學院之一的名校瓦薩學院 (Vassar College), 師承美國第一位女性專業天文學家, 瑪莉亞米契爾 (Miria Michell), 身世背景閃亮亮. 皮克林先生當初不知道是不是昏頭了? 居然弄一個來頭顯赫的大小姐做這重複乏味低技術挑戰性的工作, 真是一個頭兩個大. 不過茉莉小姐也不囉嗦, 反而迫不及待愛上這份工作, 並且以她的才華, 幾乎馬上就做出令人驚訝的貢獻. 對照起來, 佛萊明小姐屬於聽話的乖寶寶型, 聽從老闆的指令, 把工作做到 200 分的模範生. 不過茉莉小姐並不滿足於只是找出光譜的亮線, 暗線... 藉此分類恆星, 這些線必定可以解析出星體的物理特性, 其中她最感興趣的是一種叫 Orion Lines 的, 這名字是因為在獵戶座附近很多星體可以觀察到的特述光譜分布, 時至今日我們已經知道那是氦線, 當時就叫獵戶線吧?

在佛萊明小姐的分類裏, A 型只有氫元素吸收的表徵, B 型呢, 則還有 Orion Line 的出現. 茉莉小姐現在檢視的可比佛萊明小姐看的精細許多, 她現在是用顯微鏡來辨識, 因此可以把當時佛萊明小姐某同類的做更細微的分辨. 她發現, 若氦線密度要越來越低 (越接近 A 型), 則氫線密度要越來越高, 這是一個 "轉換" 的過程. 所以, B 應該在 A 之前才對 (因為 B 有氦線, 只有氫線的 A 是由 B 轉換過來的). 除此之外, 茉莉小姐在佛萊明小姐發表其分類的 7 年後 (1897), 發表她的 22 分類, 多了 6 類, 改以 I ~ XXII 的羅馬數字代表, 調換了 A, B 順序, 另外還有 a, b, c 的小分類. 當時皮克林先生相當不贊成她的 "小分類", 不過茉莉小姐不惜與老闆爭辯, 極力捍衛自己的理論, 並且在多年之後終於得到證明與肯定, 這個理論也幫助後人以光譜分辨出巨星與白矮星. 天才永遠都寂寞, 這個世界還趕不上她腦袋的速度, 茉莉離開了哈佛天文台, 好幾年後才又回來做研究.

回到哈佛天文台, 皮克林發現就算有這麼多的分類, 其實 99.3% 的星星都落在 A, B, F, G, K, M 裡面, 所以是不是該簡化一下越來越複雜的分類表? 而且隨著技術進步, 發現既有的分類表存在許多錯誤, 比如說原來定義有 2 條氫線的 C, 在品質更好的高色散玻璃板上其實再也沒有出現過, 所以 C 被砍掉. H, I 與 K 其實很類似, 乾脆都併給 K 好了. E 和 G 則根本相同, 所以併到 G. 砍砍併併到最後, 剩下一個謎樣的字母 "O". 皮克林分不出, 就把 O 併給 了P (行星狀星雲). 這個謎團在另一位傑出的女性加入後, 終於得到解答. 她是安妮坎農 (Anni Jump Cannon).

安妮畢業於同是所謂七姊妹學院之一的衛斯理學院, 而且還是畢業生代表. 她小時候生了一場病幾乎失去了聽力, 但不影響其好學的態度, 衛斯理畢業後她繼續念物理, 念天文, 然後進入哈佛天文台工作. 哈佛分類法一定會跟她名字連在一塊, 皮克林去世後, 安妮接手繼續主持恆星分類, 她分了 20 幾萬顆的恆星, 出版了亨利德雷伯星表, 你看星圖裡 HD 開頭的星編號就是了, 之後又繼續分了 10 幾萬顆, 增編到 HD 表裡. 安妮不但有品質更好的相片供她判讀, 還有皮克林斥資到南美與南非拍的南天星星. 當年, 1890 年佛萊明小姐分類的 10000 顆星, 只有一顆 O 型星, 茉莉小姐也多不過多找出 3 顆而已, 而安妮在資源豐沛的加持下, 迅速找到多顆南天的 O 星. 這個 O 星的光譜是單一離子化的氦 (ㄟ... 不懂啦 >"<) 與氦線關係密切, 我猜... 我猜的喔, 就像 B 轉換成 A 的邏輯一樣, O 會轉換成 B, 所以呢, 應該擺在已調過 A, B 順序的 B 前頭較合適.

1901 年安妮公布她第一版 OBAFGKM 分類, 當時世界上大概有 20 幾種分類吧? 百家爭鳴, 各說各話. 當然這些分類問題重重, 有重複、 錯誤、 小改版、 大改版... 根本沒有一個標準版本, 歐洲天文界對哈佛分類尤其嚴苛批評, 特別是德國天文界大老 Julius Scheiner. 不過哈佛分類有一個最大的優勢就是它 "量大". 它分類了 30000 顆星, 這數字是其他雜七雜八分類總和的 5 倍以上. 1910 年在加州舉辦的一次國際天文會議中, 皮克林發表了安妮版本為主的哈佛分類, 幾乎沒什麼人反對... 當然原因之一是因為 83 個與會者裡 46 個都是美國人, 而且國際間有份量的天文界人士也多沒出席, 所以後來就用問卷的方式意圖廣集各界意見. 28 份問卷發到 7 個國家, 幾乎都得到不錯的反應, 唯獨 Julius Scheiner 繼續反對. 不過反對也沒用, 當時 Scheiner 已經病重了... 1913 年會議移師 Scheiner 地盤, 德國波恩舉行, 會議通過安妮版本的哈佛分類, 幾個月後 Scheiner 就病逝了.

1922 IAU 會議裡正式決議採用哈佛分類, 然後一直使用至今...

一位意志堅決繼承夫業的寡婦, 一個無比耐心的女傭, 兩位才華洋溢的女孩, 她們的努力成就了這一切...

最後這張是美國第一位女性專業天文學家, 瑪莉亞米契爾 (Miria Michell) 的相片, 我很喜歡這張相片的氣質.