这支全女性的哈佛团队，用纸笔让天空的繁星有了姓名

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陈静2026年02月06日约 12 分钟

如果你曾在远离城市的夜晚抬头仰望星空，一定会被那种感觉击中：漫天星斗安静而遥远，却又仿佛在注视着你。

浩瀚星空（图片来源：veer图库）

几千年来，人类一直在仰望星空，给星星起名字，用它们指路、计时、编织神话故事。但在很长一段时间里，我们其实并不知道那些看起来一模一样的星星，究竟有什么不同。

要解开这个谜团，钥匙就藏在星星传来的光里。

恒星光谱从何而来？

17世纪中期，英国著名物理学家牛顿把一束太阳光引入房间，让它穿过一个小小的玻璃棱镜，白色的光被拉成了一条彩色的光带，就像一道被拉直的彩虹。这就是光的色散现象，人类首次意识到太阳光其实是由多种不同颜色的光所组成的，这些光按顺序展开的图像被称为光谱。

1814年，德国玻璃工匠约瑟夫·冯·夫琅和费（Joseph von Fraunhofer）对太阳光的光谱进行了更精细的研究。他让一束阳光先穿过狭缝，再透过玻璃棱镜，结果发现色散后形成的彩虹并不完整，在彩色的光带中零零散散地夹杂着许多细细的黑线，就好像有人用针在彩虹上轻轻划过。他对这些黑线做了详细的记录，并将其中最明显的几条黑线用英文字母A，B，C……做了标记。这些线后来被称为夫琅和费线。这项看似不起眼的发现，却在随后彻底改变了天文学的发展方向。

夫琅和费（左二）在展示用于观察光谱的分光仪（图片来源：akg-images / Newscom）

夫琅和费记录下的太阳光谱中的暗线（图片来源：德意志博物馆）

要理解这些黑线为什么会出现，其实并不需要太复杂的知识。1860年，德国物理学家古斯塔夫·基尔霍夫（Gustav Kirchhoff）总结了著名的“光谱学三定律”，系统阐释了谱线的产生规律：

（1）高温的、致密的物体（包括固体和气体）会发出波长连续的光谱，称为“连续谱”。

（2）高温的稀薄气体会辐射出一些特定波长的光，称为“发射谱”。

（3）当连续谱穿过低温的稀薄气体后，连续谱上特定波长的光会被吸收，产生带有吸收线的连续谱，称为“吸收谱”。

基尔霍夫的“光谱学三定律”（图片来源：YouTube）

不同的化学元素会辐射或者吸收特定波长的光，并且吸收谱线的位置（波长）与发射谱线的波长是一一对应的。这就相当于每种化学元素都具有区别于其他元素的专属“指纹”，只要把某种物质的光谱与不同元素的“标准谱”进行比对，就能知道物质中包含哪些化学元素。正是凭借这一方法，一扇通往现代天体物理学的新世界之门被缓缓推开。

不同化学元素吸收和发射特定颜色（波长）的光，构成了这张光谱学的元素周期表。（图片来源：field tested systems）

当光谱学的基本知识逐渐建立起来后，我们就可以重新审视夫琅和费记录下的太阳光谱中的吸收线，进而判断太阳大气中存在哪些原子或离子。例如，在太阳光谱的红色区域中，夫琅和费标记为C的暗线来自中性氢原子；黄色区域的D线则来自于中性钠原子；而在蓝紫色区域，一对非常明显的暗线被标记为H和K，它们产生于太阳大气中的钙离子。

宇宙中其他恒星的情况与太阳相似，它们如同一个个巨大的发光火球，内部炽热无比，不停地向外发射出波长连续的光，构成了完整的连续谱。但是星光在到达地球之前，首先要穿过恒星表面那一层稀薄的大气，这层大气中的化学元素会选择性地吸收掉特定颜色的光，于是，当原本连续的光谱被我们接收时，那些被“吃掉”的颜色就变成了一条条暗线，镶嵌在光谱之中。

这些元素为何只在特定波长处吸收或辐射光，直到20世纪10年代玻尔原子模型建立后才被理论所解释，并间接推动了量子力学的诞生。但在此之前，人们就已经意识到，光谱不仅可以帮助研究天体的化学组成，还可以揭示这些天体有温度、大致尺寸、演化阶段以及是不是在经历剧烈变化。从此，天文学不再只是“看星星”，而是开始真正意义上的“读星星”。

恒星光谱分类的形成与发展

19世纪末期，随着照相术的发明和成熟，天文学家不再满足于观察太阳的光谱，而是把望远镜对准夜空，试图通过恒星的光谱解码恒星世界的秘密。1872年，美国医生亨利·德雷伯（Henry Draper）在自家的后院用自己磨制的望远镜拍摄到了织女星的光谱，这是人类第一次拍摄太阳以外的恒星的光谱。

亨利·德雷伯（左）和他自制的口径28英寸（约71厘米）折射望远镜（图片来源：Hastings Historical Society）

随后不久，物端棱镜的发明使得天文学家仅仅需要在望远镜的前方覆盖一块薄薄的玻璃棱镜，就可以在同一张底片上拍摄成百上千颗恒星的光谱，观测效率大大提高。

毕宿星团（Hyades）的照片（左）及其在物端棱镜下的光谱（右）。可以看到不同的恒星光谱有明显的差别。（图片来源：T. Credner, Göttingen/Freeman Miller, University of Michign/Ulrike Hieter, Uppsala University）

然而，新的问题随之而来。夜空中每一颗星的光谱都略有不同，如何系统地对这些光谱进行分类，成了一道迫切需要解决的问题。作为天文摄影的先驱，亨利·德雷伯非常希望编纂一部当时世界上最大、最完整的星表，记录当时所有可观测的恒星的位置、亮度以及类型等信息。但是直到他1882年因病去世，都未能完成这个愿望。他的妻子玛丽·安娜·德雷伯（Mary Anna Draper）决定向哈佛大学天文台捐赠一大笔资金给，以完成他未竟的心愿。

在没有计算机的年代，给数以万计的恒星光谱进行分类、编目是一项难以想象的浩大工程。工作人员需要逐一拿起玻璃底片，用肉眼仔细地进行检查，根据吸收线的位置与深度，再用不同的英文字母进行标记，将其归入为十几种类型之中。每一条光谱都是指节大小的玻璃底片上一条浅浅的灰线，里面的每一个细节都要靠人眼辨认。时任哈佛大学天文台的台长爱德华·查尔斯·皮克林（Edward Charles Pickering）对从事这项工作的男性职员的工作态度和效率一度非常不满，他甚至抱怨说：“自己家的苏格兰女管家都比这群人做得更好。”

爱德华·皮克林（左）和威廉米娜·弗莱明（右）（图片来源：维基百科）

皮克林口中的苏格兰女管家，名为威廉米娜·弗莱明（Williamina Fleming），她早年从苏格兰移民至美国波士顿，是一位独自抚养儿子的母亲。机缘巧合下，她找到了在皮克林家中担任管家的工作。由于工作能力异常出色，1871年皮克林邀请她来到天文台兼职行政工作，随后不久就正式接手恒星光谱分类的任务。她很快就适应了新任务，迅速将自己锻炼成了快速、准确的恒星光谱识别专家，只需几分钟就可以判断一条光谱的类别并对其归档、编目。

在弗莱明的职业生涯中，她累计分类了1万多条恒星光谱，第一批结果发表于1890年，包含了当时北半球肉眼可见的大部分恒星。为纪念亨利·德雷伯，这份星表被命名为《亨利·德雷伯纪念星表》，简称亨利·德雷伯星表（HD Catalogue）。此外，弗莱明还取得了多项重要的天文发现，包括发现了59个气体星云、310颗变星以及10颗超新星。著名的暗星云“马头星云”也是她在检查底片时首次发现的。

“哈佛计算员”工作一角。（图片来源：Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics）

由于弗莱明的出色工作，皮克林雇佣了更多的女性来到天文台，她们从事的工作包括：校准恒星在底片上的位置、测量恒星的亮度、检查恒星的光谱。受限于当时的技术条件，这些工作几乎全部依靠手工完成，仅使用尺子、圆规、放大镜等简易工具。她们被称为“哈佛计算员”（Harvard Computer）。那时英文中的Computer是一种职业名称，专指从事计算工作的人员，直到20世纪40年代电子计算机问世后，这个词才逐渐转变为机器的名称。

安妮·坎农（Annie Jump Cannon）（图片来源：Smithsonian Institution from United States）

在这支“哈佛计算员”团队中，涌现出了多位对天文学发展具有深远影响的女性天文学家，其中最具代表性的人物之一是安妮·坎农（Annie Jump Cannon）。经过长期的工作，坎农练就了一双火眼金睛，分类能力非常娴熟，只需要1-2分钟就可以分类一颗恒星。她创建了一套新的分类规则，不再仅依据光谱中是否存在氢原子的谱线，而是基于恒星的温度，并依据恒星表面温度从高到低排列，整理出一个简洁而实用的序列：O、B、A、F、G、K、M。这个看似杂乱顺序，实则暗含温度递减的规律——O型星最热（表面温度可达3万K），M型星最冷（表面温度约3000K）。为了便于记忆，人们还编了一句口诀：“Oh Be A Fine Girl/Guy, Kiss Me!”

恒星的OBAFGKM 分类法（图片来源：Wikipedia）

这套恒星光谱分类法被称为“哈佛分类法”，作为现代光谱分类的基础一直沿用至今。1918-1924年间，经坎农团队重新整理的星表分成9卷在哈佛天文台年鉴上发表，其中共收录了22.5万颗恒星的位置、亮度、光谱分类等信息，形成了正式的《亨利·德雷伯星表》。这份星表在天文学史上意义深远，夜空中几乎所有肉眼可见的恒星都有其对应的HD编号。其中很多编号直到今天还在使用，例如织女星的另一个名字是HD 172167，第一颗发现带有系外行星凌星现象的恒星是HD 209458。

“哈佛分类法”是基于温度的一元分类法。20世纪中期，美国天文学家摩根和基南在此基础上提出了以温度和光度为基础的二元分类法，称为MK分类系统，即在哈佛分类法的标记后面加上一个罗马数字表示光度，例如太阳的光谱型为G2V。MK系统至今仍是天文学界最广为采用的标准分类方法。

不同光谱型的恒星光谱，O型蓝端更亮，M型红端更亮，连续谱上的黑色细线为吸收线。(图片来源：NOIRLab/NSF/AURA)

恒星光谱的现代价值

为什么恒星光谱如此重要？原因很简单。一张照片，只能记录天体在某一瞬间看起来的样子，而一条光谱，却像是天体亲笔写下的一份说明书，安静地记录着它的真实身份。在这份说明书里，隐藏着关于温度、成分、状态、甚至过往经历等大量信息。只要我们愿意耐心阅读，就能逐渐拼凑出每个天体独特的故事。

一个世纪前，当皮克林和弗莱明领导的“哈佛计算员”团队用人眼艰难地检查照相底片时，她们或许难以想象，今日的光谱观测会以怎样宏伟的方式展开。进入21世纪，天文学迈入了“大数据时代”，在世界各地，一系列光谱巡天项目相继展开：美国的SDSS系统性描绘了数百万星系与类星体的宇宙结构；APOGEE用前所未有的精度刻画了银河系的化学组成；欧洲的Gaia卫星在精确测量天体位置与运动的同时，也为海量恒星拍摄光谱；正在进行的DESI、4MOST等新一代巡天项目，则进一步将光谱观测推向更深、更广、更快的维度。

在这样的背景下，中国自己的大科学装置，座落于河北兴隆深山里的“大天区面积多目标光纤光谱望远镜”（LAMOST）凭借创新性设计，在一次曝光中就能同时获取4000个天体的光谱。它如同一架精密的“宇宙光谱流水线”，将昔日需要天文学家皓首穷经的分类工作，转化为高度自动化、高效率的数据洪流。

LAMOST望远镜（图片来源：LAMOST官网）

截至2025年，这台运用创新性设计的巡天巨眼，已经发布了近三千万条高质量的光谱，构建起人类历史上最大的恒星光谱数据库。这不仅是一次真正的技术革命，更标志着人类对银河系的认识从静态图片推进到了“数字银河”的时代。

正因如此，当恒星光谱的数量不断积累，一些“耐人寻味的例外”开始浮现出来，比如部分恒星的元素比例与常规恒星明显不同、某些特征线比预期强或弱、光谱随时间发生微妙变化等。这些不太对劲的光谱，就像是星光主动留下的提示，引导科学家一步步深入调查。

在对异常信号的系统梳理中，LAMOST的价值得以充分显现。依托其前所未有的大样本光谱数据的优势，国内外研究团队对恒星、银河系结构等多个领域开展了深入的研究，其中由国家天文台罗阿理研究员领导的LAMOST数据处理团队，对近三千万的恒星光谱进行自动化分析与人工甄别，逐步从“光谱海洋”中打捞出一批又一批的特殊天体，例如碳增丰贫金属星、激变变星、发射线星等。

随着恒星数量呈指数级的增长，一类特殊的恒星系统进入了人们的视野。它们的光谱呈现出一种奇妙的混合状态，在同一条光谱中同时展现出两种截然不同的特征。一部分信号像是来自一颗已经年老、低温、膨胀的恒星，另一部分却明显指向一个温度极高、活动剧烈的环境。

这种看似矛盾的组合让天文学家意识到：这很可能不是一颗恒星，而是两颗恒星在引力的作用下相互环绕，就像宇宙中的“冰与火之舞”。其中，步入暮年的恒星不断向外喷吐着物质，而这些物质全部被近在咫尺的“小男孩”贪婪地用引力吸了过去，形成高温、炽热的吸积盘。激烈的相互作用还会导致吸积盘的两端喷出壮丽的喷流，在周围形成复杂的尘埃和气体云。它们将各自的特征共同书写进同一条光谱，这类系统后来被称为共生星。

如果只看亮度或颜色，这样的系统很容易被当作普通的低温恒星而忽略，但在光谱中，它们几乎无处藏身。科学家根据共生星的特征，绘制了共生星的示意图：

科学家模拟的共生星示意图。（图片来源：NASA/Dana Berry）

根据共生星的独特发射线特征，中国科学院南京天文光学技术研究所天文光谱与高分辨成像技术研究室的陈静博士从LAMOST望远镜的海量数据中成功识别出两颗新的共生星。它们的光谱如下图所示，红色实线为共生星的光谱，灰色实线是与共生星参数相似的恒星光谱。可以看到，相比较于参数相似的恒星光谱，共生星有明显的发射线特征。这些发现不仅丰富了已知样本，也再次证明，当我们真正学会读懂星光，宇宙就会主动向我们揭示更多秘密。

新发现的共生星与参数相似的参考星的光谱对比图。红色为新发现的共生星光谱，灰色为参考星的光谱。右图为共生星所在天区的图像，白色十字指出了新发现的共生星的位置。（图片来源：参考文献[1]）

从一条谱线到一幅宇宙图景

回顾天文学的发展历程，从最初发现太阳光谱中的暗线，到建立完整的恒星光谱分类体系，再到如今借助海量光谱数据发现稀有天体系统，光谱始终是天文学最核心的工具之一。它使人类得以破译恒星的成分、丈量宇宙的大小、洞察天体的运动，将静态的图像转化为动态的宇宙电影。可以说，每一条谱线，都是恒星写下的一段“物理自述”，而当天文学家读懂这些文字，浩瀚星空便不再沉默，开始向我们展开一幅结构清晰、层次分明的宇宙图景。

参考文献：
[1] https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/addec3

作者简介

陈静，中国科学院南京天文光学技术研究所博士后，从事特殊天体搜寻、双星系统等前沿方向，并作为GTC高分辨率光谱仪CHORUS研制项目的骨干成员之一，主要参与光谱数据处理系统研发。