第十二章 佩恩小姐的学位论文

5月时，一份哈佛《简报》报道，哈洛·沙普利和阿德莱德·艾姆斯合写了一篇 《233颗南方恒星的距离》（“Distances of Two Hundred and Thir ty-three Southern Stars”）。沙普利以这种新形式的表彰，做到了比乐于成人之美的皮克林更成人之美。已故的前台长，亲自撰写了几乎所有的《哈佛天文台简报》，他在文中总是赞扬别人的功劳，但在文章最后却只署上自己的名字。沙普利让研究者们的署名醒目地出现在第一页，就放在通告标题的正下方。
塞西莉亚·佩恩对曾经过妮蒂·法勒、威廉明娜·弗莱明、安东尼娅·莫里和安妮·坎农之手的同一批物端棱镜（objec-tive-prism）底片，进行了耐心的筛选。这些符文般的谱线图案曾帮助她的前辈们对恒星进行分类，她却在里面读出了新的潜台词。它关系到单个原子的行为——吸收和释放少量的光。每个光谱中的几千条夫琅和费谱线，都记录着电子在绕原子核运动时，从一个能级到另一个能级的跃迁。
佩恩小姐的构想得自加尔各答的印度物理学家梅格纳德·萨哈（Meghnad Saha），他是第一个将原子与恒星联系在一起的人。1921年，萨哈证明了不同类型的恒星之所以能展示出它们独特的光谱图案，是因为它们在不同的温度下燃烧。恒星越热，围绕在原子核周围运动的电子，就越容易跃迁到更高能级的轨道。获得足够的热量后，最外层的电子会挣脱束缚，留下带正电的离子，继而表现出不同的光谱特征。萨哈给出了数学方程，用于预测不同元素在极高的温度下时——实验室中的炉子是达不到这种高温的——光谱中夫琅和费谱线的位置。然后，他用自己的预测值，与根据哈佛藏品发表的光谱进行匹配。两者间的吻合表明，亨利·德雷伯分类体系中的类别，几乎完全取决于温度。O 类恒星比B类恒星热，后者又比A类恒星热，如此等等，一直向下推到序列的末尾。
其他研究人员，从早期的分类者安吉洛·西奇，到如今的理论家亨利·诺里斯·罗素，都同样注意到了温度与恒星类型之间的相关性，但是在萨哈之前，还没有人给出过它的物理机制。从特定夫琅和费谱线的位置和强度，萨哈可以估计出不同德雷伯类型中恒星的实际温度范围。
在萨哈充满希望的引领下，佩恩小姐在剑桥大学的一位导师爱德华·阿瑟·米尔恩（Edward Arthur Milne），对他的技术进行了重新构建和改进。米尔恩及其合作者拉尔夫·福勒（RalphFowler）导出了不同的恒星温度值，尽管它们仍然按照哈佛体系的顺序排列。福勒和米尔恩还考虑到恒星大气压比萨哈所假设的要低得多，因为恒星周围的气体有足够大的空间扩散，可以变得非常稀薄。与地球表面的气压相比，恒星的大气压是微不足道的，每平方英寸还不到零点几盎司①，而这种气体稀薄的条件又会增加原子电离的倾向。
到1923年时，福勒和米尔恩已经巩固了原子跃迁与相应夫琅和费谱线强度之间的联系。如今，开辟出了一个新的研究方向：通过仔细查看不同光谱类型中谱线的强度，细心的分析人员也许可以得出每种组成元素的相对丰度。揭示这种内情的原材料已存在于美国，就在剑桥和帕萨迪纳的底片库中。当佩恩小姐离开纽纳姆学院前往哈佛天文台时，米尔恩极力主张她在哈佛的玻璃照片上挖掘光谱，看能否检验和验证萨哈的理论。佩恩小姐说：“我听从了米尔恩的建议，并着手对亨利·德雷伯体系中固有的定性信息进行定量分析。”
普林斯顿大学的亨利·诺里斯·罗素受此吸引，也想开展同样的研究。因为普林斯顿缺乏所需的资源，罗素安排了几次到威尔逊山度长假，并派了一位研究生唐纳德·门泽尔（DonaldMenzel）去哈佛查看照相底片。门泽尔在实验光谱学方面的训练，与佩恩小姐可发挥其作用的原子知识刚好互补，但是两人没有合作。
佩恩小姐在写到她早年的奋斗过程时说：“我独自奋力前行，显然，得设计一种定量方法来表达谱线的强度，于是我就建立了一个粗略的目视估计系统。接着要做的是识别线光谱（line spec-tra），选择已知的谱线进行核查，还有一个苦力活，就是估计几百道光谱的强度。”她经常感到迷惑不解。她在硅元素的谱线上取得了第一个突破，她在最热的恒星中探测到了这种元素，而且是处于4个连续的电离阶段（从中性的原子到失去一个电子，然后是失去两个电子，最后是失去三个电子）。根据这些观测，她计算出了失去电子所需要的热量，并由此确定O类恒星的温度在23000℉到28000℉之间。
沙普利有意让佩恩小姐获得哈佛的第一个天文学博士学位。他组织了一个正式的指导教师委员会，给她安排了一次博士资格笔试。她在1924年6月10日通过了这项考试。作为正式的博士学位候选人，佩恩小姐参加了在新罕布什尔州和加拿大安大略省召开的暑期天文学会议，开会期间她一直都在操心上哪儿找钱完成学业。皮克林天文学研究员奖金只提供一年的资助，而且不能续约。
8月在多伦多参加英国科学促进会（British Association for the Advancement of Science）的聚会时，佩恩小姐与她最早的偶像阿瑟·斯坦利·爱丁顿以及爱德华·阿瑟·米尔恩重逢了。他们提醒她，女性在英格兰从事天文学的机会仍然没有增加，她应该尽量留在大西洋的这一边。幸运的是，佩恩小姐是一位未满30岁的女大学毕业生，希望在美国学习的同时还保留外国公民身份，因此满足了美国大学妇女协会（American Association ofUniversity Women）的罗丝·西奇威克纪念奖学金（Rose Sidg-wick Memorial Fellowship）的各项要求。9月，她从那里获得了1000美元的资助，于是她在哈佛第二年的费用有了着落。
1925年，亨丽埃塔·莱维特的一位仰慕者，在不知道她已去世的情况下，为她献上了一份迟到的嘉奖。瑞典皇家科学院的 约斯塔·米塔格－莱弗勒（Gosta Mittag-Leffler），在2月23日的一封来信中，是这样起头的：“尊敬的莱维特小姐，我的朋友 兼同事、来自乌普萨拉（Uppsala）的冯·塞佩尔（von Zeipel）教授告诉我，您在小麦哲伦云中，发现了联系造父变星的星等与周期的经验定律，令人仰慕。这给我留下了极为深刻的印象，我很认真地倾向于提名您为1926年诺贝尔物理学奖的得主——尽管我必须承认，我在这方面的认识还很不完整。”写信者是一位英勇无畏地拥护对从事科学事业的女性进行奖励的人，他在1889年曾鼓动大家，为俄罗斯数学家索菲娅·柯瓦列夫斯卡 娅（Sofia Kovalevskaya）争取到了斯德哥尔摩大学学院（Stock-holm University College）的正教授职位。1903年，他成功地向诺贝尔委员会施压，让他们在将物理学奖授予放射性的发现者皮 埃尔·居里和他的同胞亨利·贝克勒尔（Henri Becquerel）时，将玛丽·居里夫人也列入其中。