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历史上的今天 > 1900年5月10日,天文学领域的女性先驱佩恩诞辰

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佩恩诞辰(Cecilia H. Payne, 1900-1979)

  太阳的庞大质量主要是由氢组成,因此才能提供源源不绝的燃料让太阳数十亿年来持续发出光和热,孕​​育出生机盎然的地球。不过直到一九二○年代之前,天文学界从未想过太阳蕴含如此丰富的氢。力排众议,指出此一事实的竟是一位初出茅芦的年轻女性。

  十九岁的西西莉亚·佩恩进入剑桥大学就读时,原本主修物理、化学与植物学,但在听了爱丁顿爵士来校演讲,讲述他如何远赴非洲观测日蚀时的恒星位置,以验证爱因斯坦的广义相对论后,即转而钟情于天文学。当时剑桥大学虽然允许女性就读,却不授予学位,因此她修完四年的课程后,随即于1923年转往相对开放进步的美国攻读博士。

  当时透过分析太阳光谱的暗线(夫朗和斐线)已经知道太阳由那些元素组成,但是并不确定这些元素各占多少比例。理论上,某一元素的比例越高,它的谱线强度也应该越强,只要分析比较谱线强度就能得知元素多寡。但是复杂的夫朗和斐线乍看并无异样,加上当时普遍认为既​​然太阳系的天体形成时间都差不多,遵循的物理原理也一样,也就直接认定太阳的元素比例与地球应无二致。

  但聪颖的佩恩已经掌握波耳十年前提出的量子理论,得知光谱上的暗线是电子吸收特定波长的光而跃迁到较高的能阶。再应用印度物理学家萨哈(Meghnad Saha)的电离理论,正确指出不同恒星的夫朗和斐线互有差异并非元素成分不同,而是恒星的不同温度造成元素离子化的程度不一样所致。

  佩恩据此分析太阳与其它恒星的夫朗和斐线后,发现它们的组成元素几乎全部一样。更匪夷所思的是,氢与氦占了绝大部分(分别是71%与27%),其它元素总共占不到2%。这完全违背了当​​时的认知。她的指导教授特地征询当时的天体光谱学权威罗素(Henry Russell),得到的回覆是这结果「显然不可能」;于是佩恩只好在博士论文最后备注自己的计算「几乎可以肯定与实际不符」 ,以让论文顺利过关,而于1925年取得博士,成为哈佛大学史上第一位天文博士。

  四年后,罗素从不同方向着手也计算出与佩恩同样的结果,另有两位天文物理学家也验证了佩恩的理论,从此天文学家才相信恒星主要由氢与氦所组成;她那篇论文也被誉为天文学领域最重要的博士论文。那个年代,女性在天文学这个领域仅能担任助理;佩恩的成就证明女性也能独当一面,提升了女性的地位,也鼓舞更多女性投入天文学研究,她也在1956年成为哈佛有史以来第一位获永久聘书的女教授,稍后又成为哈佛史上第一位女性系主任。

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