بیوگرافی هنریتا لیویت؛ ستاره‌شناس گمنامی که اندازه‌گیری جهان هستی را ممکن کرد

اوایل دهه‌ی ۱۹۰۰، جهان هستی بسیار، بسیار کوچک‌تر از آنچه امروز می‌دانیم، تصور می‌شد. آن روزها، ستاره‌شناسان بر این باور بودند که جز کهکشان راه شیری، هیچ چیز دیگری در کل جهان نیست. آن‌ها نمی‌دانستند به جز کهکشان خودمان، میلیاردها کهکشان دیگر نیز وجود دارد و ما چقدر از آنچه دوست داشتیم فکر کنیم، کوچک‌تر هستیم. دلیل اینکه آن‌ روزها دانش درستی از اندازه‌ی واقعی جهان وجود نداشت به این خاطر بود که اخترشناسان نمی‌توانستند فاصله‌ی ستاره‌های بسیار دور را تا زمین اندازه‌گیری کنند؛ آن‌ هم به‌خاطر یک مشکل نسبتاً ساده در نجوم؛ اینکه یک ستاره‌ی درخشان در دوردست تقریباً شبیه یک ستاره‌ی کم‌نور در نزدیکی زمین به نظر می‌رسد و هنوز فرمولی برای تشخیص این دو حالت وجود نداشت.

این موضوع روی زمین هم همینطور است. تصور کنید شب در ساحل، نور دو فانوس دریایی را در دوردست می‌بینید، اما نور یکی درخشان‌تر از دیگری به نظر می‌رسد. اگر می‌دانستید هر دو فانوس دریایی از منبع روشنایی یکسانی استفاده می‌کنند، می‌توانستید نتیجه بگیرید چراغ کم‌نورتر از چراغ پرنور‌، دورتر است. اما این امکان نیز وجود دارد که نور کم‌سوتر از منبع نوری با توان مصرفی کمتر ساطع شده، درحالی‌که در مقایسه با فانوس دریایی دیگر، به ما نزدیک‌تر است.

دانشمندان به‌ راهی برای پی بردن به درخشندگی ذاتی ستارگان، یا به‌اصطلاح توان مصرفی آن‌ها نیاز داشتند تا مطمئن شوند ستاره‌ای که کم‌نور به‌ نظر می‌رسد به خاطر این است که نور کم‌تری دارد، نه اینکه فاصله‌اش از ما دورتر است؛ و درست اینجا است که نام هنریتا لیویت (Henrietta Leavitt) به میان می‌آید. هنریتا در سال ۱۹۰۸ به موضوعی پی برد که شاید کوچک به‌نظر برسد، اما یکی از مهم‌ترین کشفیات در تاریخ ستاره‌شناسی به‌شمار می‌رود. در‌ واقع اینکه دانشمندان دریافتند جهان هستی بی‌نهایت بزرگ است و عمرش به ۱۳٫۷ میلیارد سال نوری می‌رسد، به‌خاطر قدم‌های اولی است که هنریتا لیویت در این مسیر برداشت.

هنریتا سوان لیویت در سال ۱۸۶۸ در لنکستر ماساچوست به‌ دنیا آمد. او در کالج اوبرلین تحصیل کرد و در سال ۱۸۹۲ با مدرک لیسانس از کالج رادکلیف دانشگاه هاروارد فارغ‌التحصیل شد. لیویت در دانشگاه درس‌های متنوعی از یونانی کلاسیک گرفته تا هنرهای زیبا، فلسفه، هندسه‌ی تحلیلی و حسابان گذراند، اما تازه سال چهارم دانشگاه بود که به ستاره‌شناسی روی آورد.

بی‌شک تحصیلات گسترده‌ی هنریتا برای به‌ دست آوردن شغلی آکادمیک و پردرآمد کافی بود، اما آن روزها حرفه‌های علمی تقریباً به‌طور کامل در انحصار مردان بود؛ به همین خاطر هنگامی که لیویت در سال ۱۸۹۳ و در سن ۲۷ سالگی به استخدام رصدخانه‌ی کالج هاروارد درآمد، نه به‌عنوان ستاره‌شناس یا حتی پژوهشگر پایین‌رده‌ی نجوم، بلکه به‌عنوان «کامپیوتر» دون‌پایه‌ای مشغول به کار شد که وظیفه‌اش دسته‌بندی درخشش ستارگان بود. کار لیویت بیشتر به دفترداری می‌ماند تا پژوهش علمی و تا مدتی آن را به‌صورت داوطلبانه و بدون دستمزد انجام می‌داد. بعدها نیز دستمزد ۲۵ سنت در ساعتی که دریافت می‌کرد با دستمزد یک خدمتکار آن زمان برابر بود و در سال به ۱۵۰۰ دلار می‌رسید. این در ‌حالی است که دستمزد سالانه‌ی کارکنان مرد این رصدخانه حداقل ۲۵۰۰ دلار بود.

ادوارد پیکرینگ و «کامپیوتر»های رصدخانه کالج هاروارد

به جز آنی جامپ کانن که یک سال بعد از لیویت در رصدخانه مشغول به کار شد، «کامپیوترها» اجازه‌ی استفاده از تلسکوپ را نداشتند. کار با تلسکوپ فقط توسط مردها انجام می‌شد و تصاویری را که از ستاره‌ها روی صفحه‌های شیشه‌ای ثبت می‌کردند برای تجزیه و تحلیل به زن‌ها سپرده می‌سپردند. لیویت سال‌ها در یک دفتر کوچک و کم‌نور در کنار تعداد دیگری از زنان تحصیل‌کرده زیر نظر رئیسشان، ادوارد پیکرینگ، به انجام کارهای معمولی و تکراری مشغول بود. سیسیلیا پین، «کامپیوتر» دیگری در رصدخانه‌ی هاروارد که در سال ۱۹۲۳ پشت میز قدیمی لیویت کار می‌کرد و کشف کرد خورشید عمدتا از هیدروژن تشکیل شده است (کشفی انقلابی که در زمان خودش نادیده گرفته شد)‌، درباره‌ی شرایط کاری در هاروارد نوشت: «پیکرینگ افراد زیردست خود را برای کار انتخاب می‌کرد، نه برای فکر کردن.» او همچنین درباره‌ی لیویت گفت که او «باهوش‌ترین زن در هاروارد بوده است.»

تمرکز کار لیویت در رصدخانه‌ی کالج هاروارد بیشتر بر ستاره‌های متغیر معروف به قیفاووس بود. متغیرهای قیفاووسی ستاره‌هایی هستند که در دوره‌های مختلف از میزان درخشندگی‌شان کم و زیاد می‌شود و وظیفه‌ی لیویت این بود که این دوره‌ها یا به‌اصطلاح «پالس‌»ها و میزان درخشندگی ستاره‌ها را ثبت و دسته‌بندی کند. او در مدتی که در این رصدخانه مشغول به کار بود، بیش از ۲ هزار ستاره‌ قیفاووسی جدید را کشف کرد و حتی تحسین پیکرینگ را نیز برانگیخت؛ اما کشف اصلی لیویت که خدمت بسیار بزرگی به علم ستاره‌شناسی کرد، چیز دیگری بود؛ روشی برای اندازه‌گیری فاصله در فضا.

لیویت زمانی که مشغول ثبت و دسته‌بندی داده‌های مربوط به ستاره‌های متغیر بود، متوجه شد که می‌تواند به‌طور دقیق و بدون استثنا رابطه‌ای بین دوره‌ی چرخه‌ی روشنایی هر ستاره با قدر مطلق (میزان درخشندگی) آن‌ را پیدا کند. کشف این رابطه‌ی ساده اما تا پیش از این ناشناخته، محاسبه‌ی فاصله‌ی ستاره‌ها از زمین را برای اولین بار ممکن کرد. هنریتا لیویت با این کشف به گفته‌ی جورج جانسون،‌ نویسنده‌ی کتاب «ستارگان خانم لیویت»، به «زنی که دریافت چگونه جهان را اندازه‌گیری کند»، تبدیل شد.

عکسی از هنریتا لیویت در سال ۱۹۱۰

کشف انقلابی لیویت جرقه‌ای برای کشفیات بزرگ بسیاری از ستاره‌شناسان بعد از خودش بود. بدون لیویت و ستاره‌های متغیرش، ادوین هابل که اولین تلسکوپ فضایی تاریخ به یاد او نام‌گذاری شد، هرگز نمی‌توانست نشان دهد سحابی مارپیچی آندرومدا که آن زمان به باور بسیاری در لبه‌ی کهکشان ما قرار داشت، در‌ واقع یک میلیون سال نوری با ما فاصله دارد. از آن سو، اینار هرتس‌اشپرونگ،‌ ستاره‌شناس برجسته‌ی دانمارکی نیز نمی‌توانست دیدگشت بسیاری از ستاره‌های متغیر نزدیک را اندازه‌گیری کند.

بسیاری از افرادی که کنار لیویت در رصدخانه مشغول کار بودند نیز از کشف او منفعت زیادی نصیبشان شد؛ به‌ویژه، ادوارد پیکرینگ که به بهانه‌ی اینکه مدیر رصدخانه‌ بود و لیویت و دیگر «کامپیوتر»ها زیردست او محسوب می‌شدند، یافته‌های لیویت را به نام خودش منتشر و تقریباً تمام افتخار این کشف را از آنِ خود کرد. بیانیه‌ای که در بخشنامه‌ی هاروارد در سال ۱۹۱۲ منتشر شد، از لیویت تنها به‌عنوان کسی که این یافته‌ها را «آماده» کرده بود، یاد شده بود. جانشین پیکرینگ در رصدخانه، هارلو شیپلی نیز شش سال بعد با بسط یافته‌ی لیویت و ارائه‌ی تعریف جدیدی از کهکشان راه شیری به شهرت رسید. این در‌ حالی است که از لیویت که بدون یافته‌های او دستاوردهای شیپلی ممکن نبود، تا مدت‌ها هیچ کجا نامی برده نشد.

لیویت برای مطالعه‌ی تغییرات درخشندگی ستاره‌های قیفاووسی از تصاویری استفاده می‌کرد که روی صفحه‌های شیشه‌ای عکاسی ثبت شده بودند. او برای انجام مقایسه، این صفحه‌ها را روی هم می‌گذاشت تا میزان درخشندگی هر ستاره را در دوره‌های مختلف اندازه‌گیری و تحلیل کند. به گفته‌ی جرمی برنستین، فیزیکدان نظری، «ستاره‌های متغیر سال‌ها مورد توجه جامعه‌ی نجوم بودند، اما زمانی که لیویت درحال بررسی تصاویر آن‌ها بود، گمان نمی‌کنم پیکرینگ انتظار داشت او به کشف مهمی دست پیدا کند؛ آن‌ هم کشفی که در‌نهایت منجر به تغییر و تحول علم ستاره‌شناسی شد.»

هنریتا لیویت در کنار آنی جامپ کانن؛ تنها «کامپیوتر» رصدخانه هاروارد که اجازه استفاده از تلسکوپ را داشت

لیویت در تصاویری که از ابرهای ماژلانی ثبت شده بود، هزاران ستاره‌ی متغیر پیدا کرد. در سال ۱۹۰۸،‌ نتایج مطالعات خود را در سالنامه‌ی رصدخانه‌ی کالج هاروارد به چاپ رساند و در آن اشاره کرد که تعدادی از این ستاره‌ها الگوی ثابتی را در دوره‌های تغییر درخشندگی خود نشان می‌دهند، به این صورت که ستاره‌های درخشان‌تر، پالس طولانی‌تری از ستاره‌های کم‌نور دارند. پس از انجام مطالعات بیشتر، لیویت در سال ۱۹۱۲ تأیید کرد که متغیرهای قیفاووسی که درخشندگی ذاتی بیشتری داشتند، دوره‌های طولانی‌تری دارند و این رابطه کاملاً قابل پیش‌بینی است.

لیویت از این فرض ساده استفاده کرد که تمام قیفاووس‌های حاضر در هر ابر ماژلانی تقریباً در فواصل یکسانی از زمین قرار دارند؛ بدین‌ترتیب این‌طور نتیجه‌گیری کرد که روشنایی ذاتی این ستاره‌ها را می‌توان از روشنایی ظاهری آن‌ها که از صفحه‌های عکاسی به دست می‌آمد و همچنین از فاصله‌ی هر یک از آن‌ها با سایر ابرهای ماژلانی، استنتاج کرد. او درباره‌ی یافته‌اش این‌طور نوشت:

ازآنجاکه متغیرها احتمالاً در فاصله تقریباً یکسانی از زمین قرار دارند، دوره‌های آن‌ها ظاهراً با انتشار نور ذاتی آن‌ها مرتبط است که با جرم، چگالی و روشنایی سطح آن‌ها تعیین می‌شود.

کشف لیویت که از بررسی تصاویر ۱۷۷۷ ستاره‌ی متغیر روی صفحه‌های عکس هاروارد به دست آمده بود، به «رابطه‌ی دوره-درخشندگی» یا «قانون لیویت» شهرت دارد. لیویت همچنین به تکمیل و اصلاح استاندارد هاروارد برای اندازه‌گیری‌های مبتنی بر تصاویر ادامه داد که درواقع مقیاس لگاریتمی بود که ستاره‌ها را براساس میزان روشنایی تا بیش از ۱۷ قدر مطلق مرتب و دسته‌بندی می‌کرد. او در ابتدا ۲۹۹ صفحه‌ عکس را که از ۱۳ تلسکوپ به دست آمده بود، برای ساخت مقیاس خود تجزیه و تحلیل کرد و این مقیاس در سال ۱۹۱۳ توسط کمیته بین‌المللی قدرهای تصویری پذیرفته شد.

تا پیش از کشف هنریتا لیویت، بسیاری از اخترشناسان به‌اشتباه فکر می‌کردند ستارگان حاضر در کهکشان آندرومدا که در واقع ۲٫۵ میلیون سال نوری از ما فاصله دارند، بخشی از کهکشان راه شیری هستند که قطر آن تنها حدود صدهزار سال نوری است. آن زمان، اخترشناسان روش‌هایی برای تعیین فاصله‌ی ستاره‌ها در‌ اختیار داشتند، اما این رو‌ش‌ها فقط در مورد ستارگان نزدیک به زمین جواب می‌دادند؛ کشف لیویت که پالس هر ستاره‌ی متغیر را به روشنایی واقعی و ذاتی آن مرتبط می‌کرد، کلید اندازه‌گیری اجرام بسیار، بسیار دور در فضا بود.

به‌عبارت دیگر، کشف لیویت به ستاره‌شناسان نشان داد اگر قصد داشتند فاصله‌‌ی اجرام دوردست را اندازه‌گیری کنند، فقط کافی بود دنبال یک ستاره‌ی قیفاووسی در نزدیکی آن بگردند. فرمول لیویت به اخترشناسان کمک کرد با مقایسه‌ی دو ستاره‌ی متغیر و تشخیص اینکه کدام نزدیک‌تر است، فواصل نسبی زمین تا ستاره‌ها را ترسیم کنند و بدین‌ترتیب، به اندازه‌ی واقعی جهان هستی نزدیک و نزدیک‌تر شوند.

پانزده سال بعد از کشف لیویت، دو اخترشناس به نام‌های هارلو شپلی و هبر کرتیس درگیر بحث داغی بودند. کرتیس بر این باور بود که آندرومدا، کهکشانی مجزا و بسیار دور از کهکشان راه شیری است؛ ایده‌ای که در آن زمان بسیار عجیب و باورنکردنی قلمداد می‌شد. اما شپلی باور پذیرفته‌شده‌تری داشت. او می‌گفت آندرومدا فقط یک ناحیه‌ی مه‌آلود و ابری در کهکشان ما است و تخمین زده بود که وسعت آن حدود ۳۰۰ هزار سال نوری باشد؛ یعنی اندازه‌ی فرضی کل جهان هستی در آن زمان.

اگر حق با کرتیس بود، آن وقت اندازه‌ی جهان باید حداقل دو یا سه برابر بزرگ‌تر از تخمین شپلی می‌بود. برای تعیین اینکه حق به چه کسی است، ادوین هابل تلسکوپش را به سمت ستاره‌های متغیر در آندرومدا معطوف کرد. او هر شب از آندرومدا عکس می‌گرفت تا بتواند یکی از این ستاره‌ها را در بین توده‌ای از ابر و غبار کیهانی پیدا کند. هابل سرانجام در اکتبر ۱۹۲۳ موفق شد یکی از این ستاره‌های چشمک‌زن را در بازوهای مارپیچ آندرومدا پیدا و پس از یک هفته مطالعه‌ی این ستاره و استفاده از فرمول لیویت، فاصله‌ی آن را تا زمین مشخص کند.

صفحه عکسی از ابر ماژلانی کوچک که یادداشت‌های لیویت از مطالعه‌ی ستاره‌های متغیر روی آن به چشم می‌خورد

هابل تخمین زد این ستاره حدود یک میلیون سال نوری از زمین فاصله دارد که اگرچه با فاصله‌ی واقعی آن حدود ۱٫۵ میلیون سال نوری اختلاف داشت، به‌هرحال از آنچه شپلی و اکثر ستاره‌شناسان باور داشتند، دورتر بود و جهان بسیار وسیع‌تری از ۳۰۰ هزار سال نوری را به تصویر می‌کشید. معروف است که وقتی شپلی یافته‌های هابل از فاصله‌ی آندرومدا با زمین را در نامه‌اش خواند، گفت: «این نامه جهان من را نابود کرد.»

هابل با استفاده از همین روش توانست فاصله‌ی ۲۳ کهکشان دیگر را که برخی از آن‌ها تا ۲۰ میلیون سال نوری از زمین فاصله داشتند، اندازه بگیرد. به کمک فرمول لیویت بود که هابل در سال ۱۹۲۹ دریافت جهان در حال انبساط است و کهکشان‌ها دارند کم‌کم از همدیگر دور می‌شوند. دانشمندان بعدا از همین یافته به این نتیجه رسیدند که اگر کهکشان‌ها دارند از هم دور می‌شوند، پس یعنی زمانی به هم نزدیک بودند؛ آن‌قدر نزدیک که بتوان گفت جهان شروعی داشته است و این همان جرقه‌ی شکل‌گیری نظریه‌ی بیگ بنگ بود.

تا پیش از پرتاب تلسکوپ فضایی هابل در سال ۱۹۹۰، ستاره‌شناسان می‌دانستند که جهان در حال انبساط است، اما از اندازه‌ی دقیق یا سنش اطلاعی نداشتند. یافته‌های لیویت بار دیگر راه‌حلی پیش پای آن‌ها گذاشت. وندی فریدمن، ستاره‌شناس و اخترفیزیکدان، رهبری پروژه‌ای را به دست گرفت که به کمک تلسکوپ هابل، فاصله‌ی ستاره‌های قیقاووسی را با دقت بیشتری اندازه می‌گرفت. حالا که فاصله‌ی دقیق این ستاره‌ها در دست بود، فریدمن و تیمش سرانجام توانستند به بحث چند ده ساله‌ی عمر جهان پایان دهند. «ما دریافتیم که عمر جهان ۱۳٫۷ میلیارد سال نوری است.»

از احساسات شخصی هنریتا لیویت نسبت به دزدیده شدن کشف بزرگش و نوشتن افتخار آن به پای دیگری اطلاعات کمی در‌ دسترس است. او تا آخرین لحظه، با وجود اینکه هیچ‌گاه جایگاه شغلی‌اش از یک دستیار ساده بالاتر نرفت، هرگز درباره‌ی این تبعیض آشکارا صحبت نکرد و با اینکه سال‌های زیادی از بیماری رنج می‌برد و حتی شنوایی‌اش را از دست داد، همچنان با شور و اشتیاق به کار در رصدخانه‌ی کالج هاروارد ادامه داد. به‌طور قطع نمی‌دانیم آیا ناراحتی و خشم درونی‌ لیویت در ابتلای او به سرطانی که در سن پنجاه‌وسه سالگی جان او را گرفت، نقش داشته است یا اینکه به گفته‌ی جورج جانسون در کتاب «ستارگان خانم لیویت»، او همین که توانسته بود «سهم کوچکی از چیز بزرگ‌تری به نام علم داشته باشد، راضی بود.»

لیویت چنان در سکوت و تنهایی زندگی کرد که حتی همکارانش متوجه مرگ او نشدند. در سال ۱۹۲۵، گوستا میتاگ لفلر، ریاضیدان سوئدی، در نامه‌ای به او نوشت: «خانم لیویت ارجمند، کشف تحسین‌برانگیز شما به‌قدری مرا تحت تأثیر قرار داده است که به‌طور جد مایلم شما را نامزد دریافت جایزه‌ی نوبل فیزیک در سال ۱۹۲۶ کنم.» این در‌ حالی است که لیویت چهار سال پیش از ارسال این نامه مرده بود و ازآنجاکه جایزه‌ی نوبل بعد از مرگ اعطا نمی‌شود، او هیچ‌گاه این نامزدی را دریافت نکرد. در عوض، هارلو شپلی، مدیر جدید رصدخانه، در پاسخ به میتاگ لفلر گفت افتخار اصلی دریافت نامزدی جایزه‌ی نوبل به او تعلق دارد، چون او یافته‌های لیویت را تفسیر کرده بود.

قانون لیویت که در عین سادگی می‌گفت «هرچه قدر مطلق ستاره‌ای بیشتر باشد، دوره‌ی تغییرات درخشندگی آن طولانی‌تر است» برای همیشه نگاه ستاره‌شناسان به کیهان را تغییر داد. متأسفانه، لیویت پیش از آنکه در جریان اهمیت کشف انقلابی‌اش قرار بگیرد، به دلیل ابتلا به سرطان معده درگذشت. به گفته‌ی فریدمن، «یکی از غم‌انگیزترین اتفاق‌ها این بود که لیویت در سال ۱۹۲۱‍ درگذشت و هابل در سال ۱۹۲۳ ستاره‌های متغیر را در آندرومدا کشف کرد و بعد در سال ۱۹۲۹ متوجه انبساط جهان شد. لیویت هیچ‌وقت ارزش و اهمیت کشف بی‌نهایت بزرگش را نفهمید.» به پاس خدمات لیویت، اعضای انجمن ستاره‌شناسی که فریدمن هم عضوی از آن بود، در سال ۲۰۰۸ رأی دادند تا آنچه قبلاً به‌عنوان «رابطه‌ی دوره-درخشندگی» نامیده می‌شد، به «قانون لیویت» تغییر نام پیدا کند.

لیویت آنقدر عمر نکرد تا ببیند نتیجه‌ی تلاش‌هایش چگونه علم ستاره‌شناسی و دانش ما از اندازه‌ و عمر جهان را متحول کرده است. در طول زندگی‌اش نیز کسی دستاوردهای او را تحسین نکرد و در گمنامی کامل درگذشت؛ به‌طوری که هیچ پلاک یادبودی از او در رصدخانه‌ی کالج هاروارد یافت نمی‌شود و حتی امروز هم کمتر کسی نام او را شنیده است. بااین‌حال، فرمول لیویت همچنان چراغ راه ستاره‌شناسان در جهانی است که همواره در حال گسترده شدن و کهکشان‌هایی است که همواره در‌ حال دور شدن از ما هستند.