震惊！埃德温·哈勃仅用一颗恒星就证明了宇宙的浩瀚！
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这张彩色图像显示了
仙女座星系 (M31) 圆盘的一部分的特写，
其中造父变星M31-V1用箭头表示。
这张照片是作者拍摄的57个夜晚中采集的
曝光数据的合成，
随后根据数据添加了色彩。
（图片来源：Rod Pommier）
你知道仙女座的M31 （NGC 224）是一个离银河系很遥远的星系吗？
当然知道！每个人都知道这一点。
但我们并不总是知道事实的全部——其实，我们只知道了还不到一个世纪。
在此之前，天文学家将M31和许多散布在天空中的其他星系称为螺旋星云。它们以令人眼花缭乱的各种大小、形状，大量分布在天空各个方向上。
但没人知道他们与地球的距离——这曾一直是个引起激烈争论的问题。
1920年4月26日，美国威尔逊山天文台的天文学家哈洛·沙普利（Harlow Shapley）和利克天文台的赫伯·柯蒂斯（Heber Curtis）在华盛顿特区的史密森研究所（Smithsonian Institution）举行了一场大辩论，主题是：
螺旋星云的性质和宇宙的尺度。
沙普利在1915年测量了银河系的大小，发现它比大多数天文学家想象的要大得多。他认为银河系就是整个宇宙，而螺旋星云是其中较小的天体。也许它们是旋转的“恒星托儿所”或“浓缩的太阳系”。
然而柯蒂斯认为它们是星系，每个都像银河系这么大，因此它们其实非常大，与我们距离也很远。
这场辩论当时没有明确的赢家。
但仅仅几年后，即1923年，埃德温·哈勃（Edwin Hubble）解决了这个问题。他使用威尔逊山天文台的100英寸胡克望远镜和摄影玻璃底片，在M31内发现了一颗变星。
哈勃利用那颗恒星推算出M31位于银河系之外，证明了它一定是另一个星系。
宇宙突然变得更大了。
事实上，如果无数看起来小于M31的螺旋星云本身也是星系，那么它们一定距离我们更远。
宇宙必须是难以置信的巨大。
哈勃研究的那颗恒星是在M31中发现的第一颗变星，此后被称为M31-V1。
这是一颗改变宇宙的恒星。
这张照片拍摄于大约1948年，
在埃德温·哈勃1929年发表那篇开创性论文，
并计算出与M31距离的数年后，
他正在威尔逊山的100英寸
胡克望远镜模型前摆造型。
当他观察M31和变星M31-V1时，
胡克反射望远镜曾是世界上最大的望远镜。
（图片来源：UB 1033（11），
Edwin Powell Hubble papers，
The Huntington Library,
San Marino，California）
标准烛光
哈勃通过在其中找到所谓的“标准烛光”来确定与M31的距离。
标准烛光是已知光度（视星等）或固有亮度的物体——如果您知道一个物体的光度（视星等），您可以将其与您从观察位置所看到的亮度进行比较，从而计算出这个物体的距离。哈勃在M31中发现的标准烛光——恒星M31-V1——是一颗“造父变星”。
造父变星是“脉动变星”，其亮度随时间变化——脉动变星的亮度变化周期从1天到120多天不等。它们在亮度与时间的关系图上表现出独特的模式，称为光曲线，包括亮度的急剧增加，然后逐渐变暗——这种模式定期重复，称为“周期”。
亨丽爱塔·勒维特（Henrietta Swan Leavitt）
发现了在X轴上绘制的造父变星周期的对数
与在Y轴上绘制的视星等之间的线性关系。
这种关系源自小麦哲伦星云中的25个造父变星。
上图的追踪和最佳拟合线显示了恒星的最大星等；
底部追踪和最佳拟合线，以及它们的最小星等。
勒维特建议最好用恒星的周期和平均视星等
来表达这种关系。
这现在被称为周期-光度关系，
或勒维特/Leavitt定律。
（图片来源：Astronomy：Roen Kelly，
after Leavitt & Pickering，1912）
在为哈佛大学天文台工作时，亨丽爱塔·勒维特发现了造父变星周期与真实光度之间的关系。她指出，造父变星的周期越长，它就显得越亮。1912年，她发表了一张图表，显示这些恒星周期的对数与平均视星等之间存在很强的正比例线性相关性。
这现在被称为周期-光度关系，或勒维特/Leavitt定律。
工作中的亨丽爱塔·勒维特，
摄于1910年前后
（图片来源：哈佛大学）
注：
亨丽爱塔·勒维特（Henrietta Swan Leavitt，1868年7月4日－1921年12月12日），美国女天文学家，聋哑人，造父变星周光关系的发现者。
勒维特1868年出生于美国马萨诸塞州的兰开斯特。19世纪90年代，哈佛大学天文台的天文学家皮克林招募了一些聋哑女性对天文台拍摄的照相底片进行测量和分类工作，1893年勒维特作为其中之一参加了工作。她在工作中注意到，小麦哲伦云中的一些变星光变周期越长，本质亮度 (绝对星等) 也越高。1908年她把初步结果发在哈佛大学天文台年报上。经过进一步研究，最终于1912年确认了造父变星的周光关系。
勒维特在哈佛大学天文台工作期间经常被健康问题和家庭事务所困扰。1921年，美国天文学家哈罗·沙普利成为这个天文台的主任，勒维特随之开始领导哈佛大学天文台的恒星测光工作。同年年底，勒维特因癌症逝世。
造父变星周光关系的发现在天文学上具有重要意义。1913年丹麦天文学家埃希纳·赫茨普龙就利用视差法测定了银河系中几颗较近的造父变星的距离，距离尺度得到标定。1915年，沙普利成功解决了造父变星的零点标定问题。随后美国著名天文学家埃德温·哈勃利用造父变星测量了仙女座大星云的距离，确认了它是一个河外星系。
为纪念这位女天文学家，第5383号小行星以及月球表面的一座环形山以她的名字“勒维特”命名。
丹麦天文学家埃希纳·赫茨普龙（Ejnar Hertzsprung）意识到了勒维特发现的巨大意义。一旦校准，这种关系将允许天文学家从两个数据（周期和平均视星等）中计算到任何造父变星的距离。
但赫兹普龙早期的校准尝试充其量是粗略的，比如当时他计算得出小麦哲伦星云与我们的距离为3万光年，而目前公认的距离为20万光年。
注：
埃希纳·赫茨普龙（1873年～1967年）Ejnar Hertzsprung，1898年毕业于哥本哈根综合工学院，起初热心于照相化学，1902年转向天文学，并在丹麦一小天文台工作。1909年任德国波茨坦天体物理台高级天文学家，1919年任荷兰莱顿天文台副台长，1935年任台长。
1945年退休后返回丹麦。1905～1907年提出存在巨星和矮星两类光度截然不同的恒星 ，1911 年发表昴星团和毕星团的颜色-星等图，与两年后美国天文学家H.N.罗素独立绘制的光谱-光度图本质上一致。这种图后来被命名为赫茨普龙-罗素图，简称赫罗图或HR图。
沙普利“修正”了校准，但他的工作也不正确，导致他估计我们银河系的直径是300,000光年，而不是目前公认的100,000光年。
但他的测量的确表明我们位于银河系的外围，而不是它的中心——这是自哥白尼将太阳置于太阳系中心以来我们在宇宙中的位置的最大“降级”。
然而，更大的“降级”即将到来。
上图显示了周期-光度关系，
已通过测量与银河系中造父变星的距离进行校准。
这些距离可用于计算恒星的真实光度或绝对星等，
以校准图形的Y轴。
校准可以使用任何造父变星作为标准烛光，
其距离可以仅根据其周期和平均视星等来确定。
在这种情况下，
一个周期为4.76天的造父变星的绝对星等为 –3.57。
（图片来源：Astronomy：Roen Kelly，
after Australia Telescope National Facility）
哈勃是如何做到的
1923年9月，哈勃开始在威尔逊山天文台对M31进行连续曝光。10月5日/6日晚上，他在H335H号（第一个 H 代表胡克，最后一个H代表哈勃）底片上进行了45分钟的曝光。
检查后，他用黑色字母N标记了三颗星，代表新恒星，因为与早期的底片相比，它们似乎是新的。然而，他随后注意到这三个中的一个曾出现在较早的底片上，包括前一天晚上拍摄的 H331H号底片。事实上，它早在 1909 年就出现在底片上，但亮度有所波动。所以，它不可能是新恒星，一定是变星。
于是哈勃用红笔划掉了字母N，写下了“VAR！” 意为“变星”。
为什么是感叹号？因为哈勃意识到，如果这颗恒星是造父变星，他就已经挖到了天文学的金矿——如果他能确定造父变星的周期及其平均视星等，那么他就可以计算出到 M31 的距离，进而解开螺旋星云之谜。
1924年初，哈勃在天气晴好的条件下连续数夜对这颗恒星进行曝光成像，并确定了它的夜间星等。他根据数据得出了造父变星的特征光变曲线——他测量出其周期为31.415天，并估计其视星等中位数为18.5。
由这个周期，哈勃计算得出的绝对星等为–5.0。然后他计算出若如此明亮的造父变星的视星等为18.5，它必然距离我们100万光年左右。因此，M31只能是银河系之外的一个巨大的独立星系。
1929年，哈勃公布了到M31的估计距离为900,000光年，这是使用额外的观测和沙普利对周期-光度关系的修正校准计算得出的。
而目前公认的到M31的距离是2,537,000光年——导致沙普利高估银河系直径的那个错误，也导致哈勃低估了与M31的距离。
哈勃的玻璃照相底片“H335H”是用
100英寸胡克望远镜于1923年10月5日/6日获得的，
它显示了星系M31。
三颗“新”恒星用黑色字母N标记。
然而，哈勃后来指出，
右上角的恒星曾出现在较早的底片上，
但亮度在波动。
随后，他划掉了N并用红色“VAR！”标记了它。
这就是造父变星M31-V1，
哈勃用它来计算到M31的距离，
解开了螺旋星云之谜。
（图片来源：Courtesy of Carnegie
Institution for Science）
注：
埃德温·鲍威尔·哈勃（英语：Edwin Powell Hubble，1889年11月20日－1953年9月28日），美国著名的天文学家。
哈勃证实了银河系外其他星系的存在，并发现了大多数星系都存在红移的现象，建立了哈勃定律，是宇宙膨胀的有力证据（参见大爆炸理论）。哈勃是公认的星系天文学创始人和观测宇宙学的开拓者。并被天文学界尊称为星系天文学之父。
为纪念哈勃的贡献，小行星2079、月球上的哈勃环形山以及哈勃太空望远镜均以他的名字来命名。
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