百岁传奇天文学家 她用望远镜与手摇计算机破解了星星的奥秘
原创 王善钦 返朴
我们都很熟悉门捷列夫元素周期表中规则排列的众多元素，却很少想到从氢、碳到铁，这些元素其实都来自遥远宇宙中的星尘。而第一次系统地确定出从碳到铁之间大部分元素起源之奥秘的人，就包括20世纪天文学界的风云人物——玛格丽特·伯比奇（Margaret Burbidge）。2019年8月，伯比奇度过了自己的100岁生日。那么，这位传奇人物是如何从一个为满天繁星着迷的小女孩成长为破解恒星元素奥秘的天文学家的呢？
撰文 | 王善钦
玛格丽特·伯比奇（Eleanor Margaret Peachey Burbidge, 1919-）是20世纪天文学界的风云人物。她既有过硬的计算能力，又有超强的观测能力，文能用手推方程，武能用镜测光谱；她是有资格获得诺贝尔奖却被诺贝尔奖评委错过的人物之一；她也是还在世的最伟大的天文学家之一。
在60多年的职业生涯中，玛格丽特活跃在多个天文学领域：她与合作者一起破解恒星内部化学元素产生之谜，成为恒星元素合成理论的核心人物之一；她测出多个星系的旋转曲线，成为暗物质研究的先驱之一；她观测大量类星体的光谱，成为那个时代类星体观测领域的权威之一；她精通光谱仪结构，是哈勃太空望远镜（HST）“暗天体光谱仪”的共同负责人之一。
2019年8月12日，玛格丽特度过了她的100岁生日。在这篇文章里，我们带领读者了解这位天文学界传奇人物的百年人生，领略著名天文学家鲁宾（Vera Rubin，1928-2016）所说的同时拥有“光辉、原创性、努力、优雅”的一代宗师的迷人风采。
玛格丽特·伯比奇 | 来源：Annie Gracy
被星空迷住的小女孩
1919年8月12日，埃莉诺·玛格丽特·皮奇（Eleanor Margaret Peachey）出生于英国西北部的达文波特（Davenport），父亲是曼彻斯特技术学校的化学讲师，母亲曾经是父亲的学生。玛格丽特说，当年她母亲被大学录取之后，外祖父一度不希望自己的女儿去读大学，他认为女性就应该在家当主妇，而且自己的女儿风采迷人，找一个好丈夫是很容易的。玛格丽特母亲所在学校的老师特意去做了这位父亲的思想工作。外祖父虽然有点不情愿，还是把女儿送进了大学。
玛格丽特的父亲与母亲于1916年结婚，然后在3年后生下了玛格丽特。母亲性格坚毅，热爱自然科学且富有科学天赋。玛格丽特在后来写的自传中说，母亲的决断力、对成功的渴望、对自然科学的热爱，都遗传给了她。不仅如此，母亲把自己的优雅与迷人也遗传给了女儿。
玛格丽特两岁时，父亲因在橡胶技术方面的专利而获得了几笔高昂的专利费，辞去教职，搬到伦敦。在她四岁那年的夏天，父母带着她前往法国。轮船在英吉利海峡行驶，站在甲板上仰望天空的玛格丽特第一次被夜空中的点点繁星深深迷住了。当时的她不会想到，她将成为破解这些星星奥秘的一位关键人物。
玛格丽特的父母与外祖父都进一步培养了她对天文的兴趣。父母为她订阅了《孩童之报》，这份周报每次出版时都有一份内页，里面描写星星的位置与月亮的圆缺变化，这使她从非常小时就开始感受天文现象背后的某种规律，而不是仅仅停留在现象层面。玛格丽特12岁时，外祖父给她买了一本由著名天文学家金斯爵士（Sir James Hopwood Jeans，1877-1946）所写的天文科普书籍，这本书让她第一次知道星星有多遥远。那一刻起，她决定将来去测出那些星星的距离。
中学时期，玛格丽特在一个女子学校度过，学习物理、化学、植物学、数学、法语、拉丁文与一些德语，并开始做学科实验，因为成绩优异，她在中学的最后一年被伦敦大学学院录取。
大学时光
1936年，17岁的玛格丽特进入伦敦大学学院，此前她的父亲已经病逝。大学期间，她系统而深入地学习了天文、物理、化学、数学。当时伦敦大学有个天文台，即伦敦大学天文台，位于伦敦郊外的的米尔山上，里面有一个61厘米口径的反射望远镜，和一个46厘米口径的折射望远镜。玛格丽特学习操作望远镜和照相设备，用61厘米望远镜观测恒星。与此同时，她学习双星轨道的计算方法等理论知识。
伦敦大学天文台 | 来源：Wikipedia commons
测量天体的两个最主要途径是测光与测谱。测光，只需要让星光经过滤光片，曝光几分钟左右，得到光点就可以。测谱，需要让星光经过仪器的狭缝，然后经过特制的仪器，后者将狭窄的光带分解为各种“颜色”的光，形成宽得多的光带，我们可以将其比喻为彩虹带，但它却比我们看到的彩虹的颜色更精细得多。这样的“彩虹带”就是“光谱”，将星光分解为光谱的仪器就是“光谱仪”。将光谱仪与望远镜连接，就可以采集星光并将星光分解为光谱。玛格丽特的工作之一就是致力于获取恒星的光谱，以研究它们大气的化学成分。
太阳光经过光谱仪之后，被分解为彩色光带，图中的暗线(夫琅和费谱线)是因为太阳炽热的内核中的一些元素发出的连续光谱被温度较低的太阳大气中的同类元素吸收而导致的。通过分析暗线的波长，可以判断出太阳大气中含有哪些元素。|来源：Wikipedia commons
黑暗的夜晚，在寒冷的天文台圆顶下方，她让星光进入光谱仪的狭缝，遥远的星光分解为美丽的彩虹带——光谱，她注视着那些光谱，那是她儿时的梦。从此，光谱研究一直伴随着她，仅有几次短暂的间断。
第一次间断是在她大学毕业后，那是1939年夏天。她决定先找个工作。经人介绍，她来到一家计算公司当计算员，用对数表与手摇计算器计算各种东西。上了一天班之后，她发现自己不适合公司交际，当天下午下班时就辞职了。这种果断性格在她此后的职业生涯中也时常表现出来。
几周之后，玛格丽特加入了她母亲工作的单位，负责监测德军的空袭——此时战争虽然尚未爆发，但已迫在眉睫了。事实上，因为战争的威胁，玛格丽特毕业那年，学校举办的毕业典礼都比以前简单得多。当时她母亲的工作没有薪水，但战争的威胁激发了英国人的爱国热情，包括玛格丽特母亲在内的大量英国人无怨无悔地投入到这样的无薪工作之中。
二战时期：星光闪耀，弹片纷飞
1939年9月3日，德国对英国开战。战争期间，伦敦大学天文台的天文学家被派遣到部队的不同部门。玛格丽特被派遣去值守位于郊区的伦敦大学天文台，那里受到的空袭相对较少。在这里，她继续用望远镜观测恒星的位置，确定它们的距离，并观测星星的光谱。
伦敦大学天文台里面的一台折射望远镜，建于1860年或者此后几年内。这是这个天文台最古老的望远镜。它看上去已经不小，但在专业级别的望远镜中，确实算小的。| 来源：Wikipedia
1940年开始，玛格丽特开始博士论文课题研究。她白天在天文台附近种蔬菜，晚上在天文台里用望远镜看星星，居然在战争期间过上了世外桃源一般的生活。1943年，她获得了博士学位。之后，她继续在天文台观测。那时候，对观测的最大威胁是德国空军的炸弹。尽管郊区被轰炸的次数相对少，但并不是没有。
1944年8月3日夜，炸弹在离天文台很近的地方爆炸，剧烈的震动导致望远镜偏移，星星离开了镜头。普通人遇到这种情况，肯定赶紧找个安全的地方卧倒。但玛格丽特没有——她毫不畏惧，调整望远镜之后，继续观测。第二次观测刚开始，第二颗炸弹在稍远的地方再次爆炸，这次爆炸造成的望远镜偏移比较小，星星还在镜头里，只是光谱仪的狭缝偏移了一点，她再次调整后，继续观测。她在观测日记中记下了连续两次的炸弹轰炸对观测的影响。
在1944年8月3日的观测之后，玛格丽特记录下来的观测日记，里面提到了两次在天文台附近爆炸的炸弹导致观测中断。| 来源：University College London Observatory
这个时期的玛格丽特，在战火中以视死如归的姿态观测星光，做天文做到“一不怕苦，二不怕死”，这世界上也没多少人了。她自己也如同一颗新星冉冉升起，虽然她的光芒尚未被更多人注意到。
遭遇性别歧视
1945年，战争结束。玛格丽特成为了观测助理。为获得更好的望远镜与更暗的夜空，她决定寻找其他地方的职位。1947年，她看到了美国卡耐基研究院的招聘广告，决定写信求职。卡耐基研究院是钢铁大王卡耐基（Andrew Carnegie，1835-1919）出资赞助成立的，负责管理威尔逊天文台等科研机构。
玛格丽特认为自己虽然还没有发表论文，但自己的学习成绩与观测经验会让自己在申请时具有优势。然而，她收到的是卡耐基研究院的拒绝信。拒绝的理由是：得到这个职位的人要去威尔逊天文台观测，而威尔逊天文台只允许男性去观测，所以不接受女性申请者。
这是她第一次感受到严重的职业歧视。玛格丽特回忆说，这次遇挫，使她形成一个信念：当一个人被堵住道路时，一定要找另外的路，让自己达到目的。
从欧洲到北美
1947年秋，玛格丽特认识了来自布里斯托尔大学的杰弗瑞·雷纳德·伯比奇（Geoffrey Ronald Burbidge），他比玛格丽特小6岁。二人很快相恋，半年后就结了婚。婚后，玛格丽特随夫姓，从此改名为埃莉诺·玛格丽特·皮奇·伯比奇（Eleanor Margaret Peachey Burbidge）。玛格丽特一般把“埃莉诺”缩写为E，省略原来姓氏，保留中间名玛格丽特与丈夫的姓。
杰弗瑞研究宇宙线，涉及大量的复杂计算，因此夫妻俩买了一台手摇计算机。这个机器在他们后来的多个工作中起到了重要作用。
1948年夏天，玛格丽特与杰弗瑞到瑞士参加恒星光谱的会议，遇到了恒星天文领域的权威人物奥托·斯特鲁维（Otto Struve，1897-1963）。斯特鲁维出生于俄国的一个天文世家：他的曾祖父、祖父、伯父、父亲、堂兄与他自己，四代人出了六个天文学家。他的曾祖父本是一个德国人，逃难到了俄国。
斯特鲁维建议玛格丽特与杰弗里申请国际天文联合会（IAU）的基金去美国从事天文研究。这是一个非常好的机会，因为斯特鲁维当时在芝加哥大学，是芝加哥大学的叶凯士天文台的台长。这个天文台拥有102厘米口径的折射望远镜，是至今为止世界上最大的折射望远镜，比它大的都是反射望远镜。
叶凯士天文台 | 来源：Jtakemann
此外，斯特鲁维还曾经担任芝加哥大学与得州大学奥斯汀分校共同管理的麦克唐纳天文台的台长，当时依然是这个天文台的名誉台长。麦克唐纳天文台有一台208厘米口径的反射望远镜，是当时世界第二大的望远镜，为纪念斯特鲁维的贡献，这个望远镜后来被命名为“奥托·斯特鲁维望远镜”。
麦克唐纳天文台208厘米口径的望远镜。| 来源：Jason Quinn
斯特鲁维已经向玛格丽特与杰弗里伸出了橄榄枝，但夫妻俩却并没有立即采纳斯特鲁维的建议，他们都希望先看看能否在欧洲找到职位。1949年，他们前往法国参加一个会议，在那里使用的一台2米口径的望远镜与配套的光谱仪观测恒星的光谱。
当时，霍伊尔（Fred Hoyle，1915-2001）正好在他们开会的会议厅隔壁的另一个会议厅，夫妻俩因此与霍伊尔认识，一见如故，成为至交，为他们后来的一个持续合作埋下了伏笔。
回到英国后，玛格丽特与杰弗里开始考虑斯特鲁维的建议，然后于1950年成功申请到基金。1951年，玛格丽特前往叶凯士天文台，杰弗里前往哈佛大学天文台。
此时麦克唐纳天文台的台长依然是芝加哥大学的天文学家柯伊伯（Gerard Kuiper，1905-1973）。因此，在芝加哥大学的两年期间，玛格丽特使用两个天文台的望远镜与光谱仪，研究恒星与星系的光谱。
探索恒星内部的奥秘
因为签证到期，玛格丽特与丈夫于1953年回到英国，应霍伊尔之邀，到剑桥大学的卡文迪许实验室访问，与霍伊尔合作。1954年，福勒（William Alfred Fowler，1911-1995）从加州理工学院来卡文迪许实验室做核物理实验，也与霍伊尔合作，并很快认识了玛格丽特与杰弗里。因此，以霍伊尔为纽带，四人形成了一个愉快合作的小组。
他们四人合作的课题是：宇宙中的各种元素是如何形成的？在此之前，爱丁顿（Arthur Stanley Eddington，1882-1944）首先正式提出：恒星内部的聚变反应会合成多种元素。此后，霍伊尔、福勒、贝特（Hans Bethe，1906-2005）等人先后在这个基础上发展了恒星内部核合成的理论。四人开始进行全面而深入的计算、分析与实验。
威尔逊天文台
1955年，杰弗里拿到了卡耐基研究院的职位，前往威尔逊天文台工作。福勒回到加州理工学院的实验室，并为玛格丽特提供了一个博士后位置，使她能在加州理工学院工作。
于是，玛格丽特与杰弗里在这一年第二次来到美国。威尔逊天文台所在的威尔逊山在帕萨迪纳市郊，与市内的加州理工学院很近。玛格丽特来到加州理工学院时，这两个机构已经构成合作关系。这使得加州理工学院的天文学家有资格去威尔逊天文台观测。
但威尔逊天文台依然拒绝女性。事实上，因为禁止女性上山观测，威尔逊天文台上面的天文学家把这里戏称为“修道院”。玛格丽特一开始女扮男装，装作杰弗里的观测助手，后来被发现了，面临被驱逐下山的境况。加州理工学院与一些天文台内的天文学家声援玛格丽特，威尔逊天文台终于同意她上山观测，不过前提是：夫妻俩继续住在独立的小平房内，而且要自己用车运输生活必需品。
威尔逊天文台里面的254厘米口径望远镜。| 来源：Ken Spencer
虽然没有人阻止玛格丽特在威尔逊山上观测，但性别歧视依然给她带来了压力。夫妻俩不敢在天文台的餐厅吃饭，每次都是带走汉堡到其他地方吃。有一次，台里有人问原因，玛格丽特回答说，听说台长规定不许女性在餐厅吃饭。对方大笑，然后说那是胡说。此后，玛格丽特才敢进入餐厅用餐。
B2FH论文
在加州理工学院时期，玛格丽特与杰弗里在学校与天文台两处来回跑，在观测与理论两个方面来回跳跃。他们用山上观测到的恒星光谱来计算恒星内部的化学元素的含量，在山下的办公室用手摇计算机计算恒星内可能发生的各类核反应的细节，而福勒则用实验来验证一些重要的核反应是否会发生。
杰弗里（左）、玛格丽特（中）与福勒（右）三人在黑板前讨论合作的课题。|来源：Caltech Archives
从1955到1957年，又经过两年的合作之后，玛格丽特、杰弗里、福勒、霍伊尔四人的论文终于在1957年10月发表。论文标题是《恒星中元素的合成》（Synthesis of the Elements in Stars）。
这篇长达108页的论文被简称为B2FH论文，其中B2表示伯比奇夫妇（玛格丽特与杰弗里），F与H分别代表福勒与霍伊尔。这篇论文有三大支柱：霍伊尔此前的计算基础、福勒在实验室中观测到的一些证据、玛格丽特与杰弗里在恒星光谱里分析出的化学证据以及用手摇计算机计算出来的结果。
B2FH论文计算了8种核反应过程，比如氢聚变为氦、氦聚变为碳到铁之间的多种元素的平衡反应、恒星内部进行的“缓慢捕捉中子”的反应、恒星爆炸之后产生的“快速捕捉中子”的反应、锂之类的元素的合成反应，等等。这篇文章中的大多数观点此后迅速成为标准教科书里的内容，流传至今，依然正确。
1971年，为庆祝福勒（左起第三）60岁生日，玛格丽特、杰弗里与霍伊尔（最右）与福勒欢聚。| 来源：Master and Fellows of St John”s College / Cambridge / Donald Clayton
当然，B2FH论文也有不正确的地方，比如，大部分氦、锂与重元素并不在恒星内部产生。事实上，氢在宇宙大爆炸之后很短时间内合成，相当一部分锂在新星爆发时产生，比铁重的元素大多数在中子星与中子星或黑洞并合后产生。尽管有这些缺陷，这篇论文的正确部分依然远远超过错误的部分，因此具有里程碑式的意义：它首次系统地确定出从碳到铁之间的大部分元素的起源，也确定了比铁更重的元素的部分来源。
在玛格丽特儿时，她的最大愿望是测出天上星星的距离，她并没有实现这个愿望；但她却与合作者一起为恒星内部核合成理论做出了核心贡献，成为破解恒星内部核反应秘密的最重要人物之一。这个理论告诉我们恒星内部元素如何产生并散播到太空中。
因为这篇论文，玛格丽特与丈夫于1959年获得海伦·华纳天文奖。1983年，诺贝尔物理学奖的一半由玛格丽特在芝加哥大学的同事钱德拉塞卡（Subrahmanyan Chandrasekhar，1910-1995）获得，另外一半由玛格丽特的合作者福勒获得。霍伊尔、玛格丽特与杰弗里都错过了。虽然如此，他们三个的贡献却并不比福勒小。
（未完待续）
作者简介
王善钦，2018年获得南京大学天文学博士学位，2016-2018年访问加州大学伯克利分校，主要研究超新星爆发等现象，业余也研究科学史。
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