Cecilia Payne-Gaposchkin: kvinden, der fandt brint i stjernerne

Brint, det enkleste atom, er en grundlæggende byggesten i universet. Vi ved, at det eksisterede kort efter universets fødsel, og at det stadig optræder som en stor del af det interstellare medium, hvori stjerner dannes. Det er også det nukleare brændstof, der får stjerner til at udstråle enorme mængder energi, mens de udvikler sig over æoner for at skabe de kemiske grundstoffer.

Men hvordan lærte vi, at brint er en udbredt og grundlæggende bestanddel af universet? Ikke nok mennesker ved, at brints kosmiske betydning først blev forstået af en ung ph.d.-studerende, Cecilia Payne (Payne-Gaposchkin efter hun giftede sig), som i 1925 opdagede brint i stjernerne. Faktisk fik hun en ph.d.-grad på et tidspunkt, hvor det stadig var ekstremt svært for kvinder at gøre det, og hun lavede banebrydende forskning til sit speciale. På trods af al succesen med hendes videnskab, viser hendes historie også de barrierer og sexisme, der gjorde det svært for kvinder at opfylde deres videnskabelige forhåbninger, og påvirkede deres karrierer hele vejen igennem.

Ung videnskabsmand

Cecilia Payne blev født i Wendover, England, i 1900. Hendes far døde, da hun var fire, men hendes mor Emma så, at hun havde et begavet barn, der ville være videnskabsmand. Emma indskrev sin datter i St Paul's School for Girls i London, som var godt rustet til at undervise i naturvidenskab. Den 17-årige trivedes der, og som Payne-Gaposchkin senere skrev i sin selvbiografi Farverens hånd (genudgivet under titlen Cecilia Payne-Gaposchkin: En selvbiografi og andre erindringer), ville hun stjæle op til videnskabslaboratoriet for "en lille gudstjeneste for min egen, tilbedende de kemiske elementer".

Hendes videregående naturvidenskabelige uddannelse begyndte i 1919, da hun kom ind Newnham College ved University of Cambridge på et legat. Der studerede hun botanik, hendes første kærlighed, samt fysik og kemi - på trods af, at universitetet på det tidspunkt ikke tilbød grader til kvinder. Ikke desto mindre var det en spændende tid at studere fysisk videnskab, da den absorberede de begyndende områder af kvantemekanik og relativitet.

I Cambridge udforskede folk som Ernest Rutherford de atomare og subatomare verdener, og Arthur Eddington studerede stjernernes struktur og udvikling. Faktisk var Payne-Gaposchkins fysikinstruktør Rutherford selv, men som den eneste kvinde i hans klasse oplevede hun, at hun blev ydmyget. Universitetsbestemmelserne på det tidspunkt krævede, at hun sad på forreste række. Som hun fortæller i sin selvbiografi: "Ved hvert foredrag stirrede Rutherford spidst på mig ... og begyndte med sin stentoriske stemme:"Damer og herrer.' Alle drengene hilste jævnligt denne vittighed med tordnende klapsalver [og] stampende med fødderne...ved hver forelæsning ønskede jeg, at jeg kunne synke ned i jorden. Den dag i dag tager jeg instinktivt min plads så langt tilbage som muligt i et forelæsningslokale.”

I stedet fandt Payne-Gaposchkin inspiration i Eddington. Næsten ved et tilfælde deltog hun i hans foredrag om hans ekspedition i 1919 til Vestafrika, der bekræftede Einsteins generelle relativitetsteori. Dette imponerede hende så meget, at hun besluttede at vælge fysik og astronomi frem for botanik. Da hun senere tilfældigvis mødte Eddington, som hun skriver i sin selvbiografi, "brød jeg ud, at jeg gerne ville være astronom... han svarede, der skulle støtte mig gennem mange afvisninger: 'Jeg kan ikke se nogen uovervindelig indvending." Han engagerede hende i sit arbejde med stjernestrukturer, men han advarede hende også om, at efter Cambridge ville der sandsynligvis ikke være nogen muligheder for en kvindelig astronom i England.

Nye kyster

Heldigvis opstod en ny mulighed, da Payne-Gaposchkin mødte Harlow Shapley, direktør for Harvard College Observatory i Cambridge, Massachusetts, under sit besøg i Storbritannien. Han opmuntrede hendes indsats, og hun lærte, at han var i gang med et kandidatprogram i astronomi. Med en lysende anbefaling fra Eddington tilbød Shapley hende et beskedent stipendium som forskningsstipendiat. I 1923 sejlede hun til USA for at begynde at arbejde på en ph.d. under Shapleys ledelse.

Kvinder havde længe bidraget til forskning ved Harvard Observatory. I 1870'erne var Shapleys forgænger som direktør, Charles Pickering, begyndt at ansætte kvinder kendt som "Harvard Computers" (i den oprindelige betydning af en person, der laver beregninger) til at analysere de lagre af data, observatoriet indsamlede. Kvinder blev foretrukket, fordi man mente, at de var mere tålmodige end mænd til arbejde med fine detaljer, og de accepterede lavere løn end mænd. Nogle af computerne blev ansat uden en baggrund i naturvidenskab, men selv dem med universitetsgrader blev betalt som ufaglærte arbejdere med 25-50 cents i timen (se "Universet gennem et glas mørkt").

Harvard Computers var ikke uafhængige forskere, men assistenter med tildelte projekter. Ikke desto mindre ydede disse kvinder nogle af de mest betydningsfulde bidrag til tidlig observationsastronomi. De omfattede Henrietta Swan Leavitt – berømt for sin opdagelse af periode-lysstyrkeforholdet mellem Cepheid-variabler – og Annie Jump Cannon, som var internationalt anerkendt for at organisere stjernespektre.

Det havde været kendt siden midten af ​​det 19. århundrede, at hvert element producerer et unikt mønster af spektrallinjer, og at spektrene af forskellige stjerner viste både ligheder og forskelle. Dette antydede, at stjerner kunne klassificeres i grupper, men der var ringe enighed om, hvordan det bedst kunne gøres.

I 1894 begyndte Cannon projektet med at undersøge de stjernespektre, der blev indsamlet ved observatoriet, og sætte dem i en brugbar rækkefølge. Denne skræmmende opgave optog hende i årevis. Spektre fra forskellige stjerner blev optaget på fotografiske glasplader, hvor hvert billede ikke var mere end en tomme langt. Med et forstørrelsesglas læste Cannon detaljerne i hundredtusindvis af spektre og sorterede de fleste af dem i seks grupper mærket B, A, F, G, K og M, med en minoritet placeret i gruppe O. Systemet var baseret på styrken af ​​Balmer-absorptionslinjerne (som beskriver brintatomets spektrallinjeemissioner) og afspejlede de spektrale signaturer af bestemte grundstoffer, såsom metaller i K-stjerner.

Spektralundersøgelser

Cannon undersøgte imidlertid ikke de fysiske mekanismer, der forårsagede spektrene, og hun udtog heller ikke kvantitativ information fra dem. I sit ph.d.-arbejde trak Payne-Gaposchkin på den fysik, hun havde lært på Cambridge, for at analysere denne enestående cache af data med de nyeste teorier. Oprindelsen af ​​spektrallinjer var blevet fastslået kun et årti tidligere i 1913 af Niels Bohrs tidlige kvanteteori om brintatomet, senere udvidet med andre. Disse teorier gjaldt neutrale atomer. Payne-Gaposchkins store indsigt var at forstå, at spektre fra exciterede eller ioniserede atomer – sådan som det ville forekomme i en stjernes varme ydre atmosfære – adskilte sig fra neutrale atomer af samme art.

Forholdet mellem temperatur, varme atomers kvantetilstande og deres spektrallinjer var blevet udledt i 1921 af den indiske fysiker Meghnad Saha. Han kunne ikke fuldt ud teste sine ideer uden at kende kvanteenerginiveauerne for hvert element, men disse blev målt, da Payne-Gaposchkin begyndte sin forskning. I en massiv indsats kombinerede hun de nye data med Sahas teori for fuldt ud at fortolke Cannons stjernespektre inklusive temperatureffekter. Et væsentligt resultat var korrelationen af ​​stjernernes temperaturer med Cannons kategorier, med resultater, der stadig bruges i dag: for eksempel lyser B-stjerner ved 20,000 K, mens M-stjerner lyser ved kun 3000 K. Dette resultat er en del af Payne-Gaposchkins bemærkelsesværdige afhandling fra 1925 Stjernestemninger, blev godt modtaget, men et andet resultat i hendes speciale blev ikke.

Kompositoriske gåder

Payne-Gaposchkin beregnede den relative mængde af hvert element set i stjernespektrene. For 15 af dem, fra lithium til barium, var resultaterne ens for forskellige stjerner og "viste en slående parallel med Jordens sammensætning". Dette stemte overens med troen blandt astronomer på det tidspunkt, at stjernerne var lavet af det samme stof som Jorden.

Men så kom en stor overraskelse: hendes analyse viste også, at brint var en million gange mere rigeligt end de andre grundstoffer. Helium var i mellemtiden tusind gange mere rigeligt. Konklusionen om, at Solen næsten udelukkende var lavet af brint, løb straks ind i problemer med en respekteret ekstern eksaminator af hendes afhandling. Dette var Henry Russell, direktør for Princeton Observatory og en stærk fortaler for ideen om, at Jorden og Solen havde samme sammensætning. Russell var imponeret, indtil han læste hendes resultat for brint. Så skrev han til Payne-Gaposchkin, at der må være noget galt med teorien, fordi "Det er klart umuligt, at brint skulle være en million gange mere rigeligt end metallerne."

Uden Russells velsignelse ville afhandlingen ikke blive accepteret, og derfor gjorde Payne-Gaposchkin, hvad hun følte, hun skulle gøre. I den endelige version af sin afhandling afviste hun den del af sit arbejde ved at skrive "Den enorme overflod afledt af [brint og helium] er næsten helt sikkert ikke virkelig." Men i 1929 offentliggjorde Russell sin egen udledning af stjernernes overflod af grundstofferne, herunder brint, ved hjælp af en anden metode. Han citerede Payne-Gaposchkins arbejde og bemærkede, at hans resultater for alle elementerne inklusive den store overflod af brint stemte bemærkelsesværdigt godt overens med hendes. Uden at sige det direkte bekræftede Russells papir, at hele Payne-Gaposchkins analyse var korrekt, og at hun var den første til at opdage, at Solen for det meste er lavet af brint. På trods af det har han aldrig udtalt, at han oprindeligt havde afvist det resultat i hendes speciale.

Det kan være, at Russell tilbød sin kommentar om brint for at advare en ung videnskabsmand om, at præsentation af resultater i modstrid med accepterede ideer kunne skade hendes karriere. Sandsynligvis kun en seniorforsker af Russells statur kunne have overbevist det astronomiske samfund om denne nye opdagelse. Faktisk påvirkede hans senere papir astronomer til at acceptere, at stjerner er lavet af brint til det punkt, at han blev krediteret med opdagelsen.

Styrken i Cecilia Payne-Gaposchkins afhandling taler for sig selv. Hendes klare skrivestil, beherskelse af emnet og banebrydende videnskab skinner igennem

Selv uden ordentlig kredit, taler kraften i Payne-Gaposchkins afhandling for sig selv. Hendes klare skrivestil, beherskelse af emnet og banebrydende videnskab skinner igennem. Shapley fik værket trykt som en monografi, og det solgte 600 eksemplarer - nærmest bestsellerstatus for en afhandling. Den største ros kom næsten 40 år senere, da den fornemme astronom Otto Struve kaldte Stjernestemninger "den mest geniale ph.d.-afhandling nogensinde skrevet i astronomi".

Hvis Payne-Gaposchkin havde nogen ond vilje over for Russell, gav hun ingen ydre tegn på det og opretholdt et personligt forhold til ham. I en anmeldelse af hans arbejde, som hun bidrog til et symposium i 1977, der ærede ham (han døde i 1957), kaldte hun hans papir fra 1929 "epokegørende" uden at henvise til sit eget arbejde. Det, hun dog stærkt fortrød, var, at hun ikke havde stået bag sit resultat. Hendes datter Katherine Haramundanis skrev, at "gennem sit liv beklagede hun den beslutning". I sin selvbiografi skrev Payne-Gaposchkin "Jeg var skyld i ikke at have presset på min pointe. Jeg havde givet efter for Autoritet, da jeg troede, jeg havde ret...Jeg noterer det her som en advarsel til de unge. Hvis du er sikker på dine fakta, bør du forsvare din holdning."

Bekæmpelse af skævhed og fordomme

Efter at have afsluttet sit speciale blev Payne-Gaposchkin på observatoriet under Shapley, men i en unormal situation. Hun ønskede at fortsætte astrofysisk forskning, men fordi Shapley betalte hende en (lille) løn som sin "tekniske assistent", følte han, at han kunne dirigere hende, som om hun var en Harvard-computer, og han satte hende i gang med at måle stjernernes lysstyrke - en rutineprojekt, der ikke engagerede hende meget. Shapley lod hende også undervise i kandidatkurser, men uden titlen "instruktør", endsige "professor", og uden at have sine kurser opført i kataloget. I et forsøg på at afhjælpe dette, henvendte Shapley sig til dekanen og Harvards præsident, abbed Lawrence Lowell, men de nægtede stejlt. Lowell fortalte Shapley, at Miss Payne (som hun blev kendt dengang), "aldrig ville have en stilling på universitetet, så længe han var i live".

Kønsbias som denne påvirkede Payne-Gaposchkin på alle stadier af hendes karriere. Hendes ph.d. (den første i astronomi ved Harvard) var teknisk set ikke fra Harvard. Shapley havde bedt formanden for Harvards fysikafdeling om at skrive under på afhandlingen, men da Shapley videresendte til Payne-Gaposchkin, nægtede formanden at acceptere en kvindelig kandidat. I stedet skulle Shapley sørge for, at hendes ph.d. blev uddelt af Radcliffe, kvindekollegiet ved Harvard. Da han senere begyndte at bygge en ægte afdeling for astronomi på Harvard, var Shapley overbevist om, at Payne-Gaposchkin, hans bedste forsker, var velkvalificeret til at fungere som dens første stol - men han indså, at Lowell aldrig ville tillade det, og derfor bragte han hos en mandlig astronom.

Efter årtiers arbejde på observatoriet, udgivelse af bøger og hundredvis af forskningsartikler og efter at være blevet en efterspurgt instruktør, forblev Payne-Gaposchkin i en slags karrieretusmørke – dårligt betalt og uden en reel akademisk stilling. Dette ændrede sig først i 1954, efter Shapley gik på pension og Donald Menzel, Russells priselev ved Princeton, blev direktør for observatoriet. Han opdagede, hvordan lille Payne-Gaposchkin blev betalt og fordoblede sin løn, og gjorde derefter noget virkelig vigtigt. Med Lowell og hans anti-kvinde bias for længst væk (han var gået på pension i 1933), var Menzel i stand til at få Payne-Gaposchkin udnævnt til fuld professor i astronomi. Dette var store nyheder: New York Times rapporterede den 21. juni 1956, at "[Payne-Gaposchkin] er de første kvinder, der opnår fuld professorat ved Harvard gennem regelmæssig fakultetsforfremmelse." Et par måneder senere blev hun formand for astronomiafdelingen, den første kvinde til at lede en afdeling på Harvard.

Set i bakspejlet var Payne-Gaposchkins karriere eminent vellykket med en fremragende afhandling, produktiv forskning, fremragende undervisning og udmærkelse for hendes "første" på Harvard og andre udmærkelser. Sammen med alt sit akademiske arbejde fandt hun plads til sit personlige liv. Hun giftede sig med den russiske emigrerede astronom Sergei Gaposchkin i 1934 og opdrog med ham tre børn, mens hun fortsatte med astronomisk forskning.

Enestående drive

I en eller anden forstand kan man sige, at hun "havde det hele" i at kombinere videnskab med familie og børn, men at komme dertil var unødvendigt svært og opslidende på grund af skævhed mod kvinder. Hun blev fuld professor først i en alder af 56, meget senere end en mand med lignende præstationer ville have nået den status, og efter at være blevet forbigået for avancement, hvilket må have taget en psykologisk vejafgift. Kun en person med enestående drive og vedholdenhed, sammen med videnskabelige evner, kunne have holdt ud indtil den endelige anerkendelse.

I sidste ende var Cecilia Payne-Gaposchkin, der døde i 1979, en banebrydende videnskabsmand, der udførte fantastisk arbejde gennem hele sin karriere, men som ikke blev behandlet professionelt i det meste af det. De fleste af Harvard-computere var ansatte, snarere end forskere eller kandidatstuderende. Mens Shapley gav Payne-Gaposchkin vigtige muligheder og forstod, hvor god en videnskabsmand hun var, behandlede han hende også blot som endnu en Harvard-computer, hyret til at støtte sine egne planer for observatoriet. Hun fremmede kvinders position inden for astronomi ud over computernes, men hun stødte stadig på barrierer, der holdt hende fra at være den komplette videnskabsmand, hun ønskede at være, som kvinder først begyndte at opnå senere i det 20. århundrede. Hendes stjernearbejde blev ofte overset og hendes arv glemt, da hun blev en af ​​de mange "skjulte" kvinder i videnskaben, der faktisk lagde grunden på deres felt. Det er først for nylig, at de væsentlige bidrag fra folk som Payne-Gaposchkin bliver postscriptet ind i videnskabens historie, og hun bør huskes som en central overgangsfigur mellem ældre og nyere muligheder for kvinder i videnskaben.

Stillingen Cecilia Payne-Gaposchkin: kvinden, der fandt brint i stjernerne dukkede først på Fysik verden.

• Coinsmart. Europas bedste Bitcoin og Crypto Exchange.
• Platoblokkæde. Web3 Metaverse Intelligence. Viden forstærket. FRI ADGANG.
• CryptoHawk. Altcoin radar. Gratis prøveversion.
• Kilde: https://physicsworld.com/a/cecilia-payne-gaposchkin-the-woman-who-found-hydrogen-in-the-stars/