Cecilia Payne-Gaposchkin: la mujer que encontró hidrógeno en las estrellas

El hidrógeno, el átomo más simple, es un componente básico del universo. Sabemos que existió poco después del nacimiento del universo y que todavía aparece como una gran parte del medio interestelar en el que se forman las estrellas. También es el combustible nuclear que mantiene a las estrellas irradiando inmensas cantidades de energía a medida que evolucionan durante eones para crear los elementos químicos.

Pero, ¿cómo aprendimos que el hidrógeno es un componente generalizado y fundamental del universo? Pocas personas saben que la importancia cósmica del hidrógeno fue captada por primera vez por una joven estudiante de doctorado, Cecilia Payne (Payne-Gaposchkin después de casarse), quien en 1925 descubrió el hidrógeno en las estrellas. De hecho, obtuvo un doctorado en un momento en que todavía era extremadamente difícil para las mujeres hacerlo, e hizo una investigación innovadora para su tesis. A pesar del éxito de su ciencia, su historia también demuestra las barreras y el sexismo que dificultaron que las mujeres cumplieran sus aspiraciones científicas y afectaron sus carreras en todo momento.

joven científico

Cecilia Payne nació en Wendover, Inglaterra, en 1900. Su padre murió cuando ella tenía cuatro años, pero su madre Emma vio que tenía un hijo superdotado que quería ser científico. Emma matriculó a su hija en St Paul's School for Girls en Londres, que estaba bien equipada para enseñar ciencias. La joven de 17 años prosperó allí y, como Payne-Gaposchkin escribió más tarde en su autobiografía La mano del tintorero (reeditado bajo el título Cecilia Payne-Gaposchkin: una autobiografía y otros recuerdos), se acercaba sigilosamente al laboratorio de ciencias para "un pequeño servicio de adoración propio, adorando los elementos químicos".

Su educación científica avanzada comenzó en 1919 cuando ingresó Newnham College en el Universidad de Cambridge en una beca. Allí estudió botánica, su primer amor, así como física y química, a pesar de que en ese momento la universidad no ofrecía títulos para mujeres. Sin embargo, fue un momento emocionante para estudiar la ciencia física, ya que absorbió las áreas incipientes de la mecánica cuántica y la relatividad.

En Cambridge, gente como Ernest Rutherford exploraba los mundos atómico y subatómico, y Arthur Eddington estudiaba la estructura y el desarrollo de las estrellas. De hecho, el instructor de física de Payne-Gaposchkin era el mismo Rutherford, pero como la única mujer en su clase, se vio humillada. Las regulaciones universitarias en ese momento requerían que ella se sentara en la primera fila. Como relata en su autobiografía, “En cada conferencia [Rutherford] me miraba fijamente… y comenzaba con su voz estentórea: 'Mujeres y caballeros.' Todos los muchachos recibían regularmente este ingenio con aplausos estruendosos [y] pisoteando… en cada conferencia deseaba poder hundirme en la tierra. Hasta el día de hoy, instintivamente ocupo mi lugar lo más atrás posible en una sala de conferencias”.

En cambio, Payne-Gaposchkin encontró inspiración en Eddington. Casi por casualidad, asistió a su conferencia sobre su expedición de 1919 a África occidental que confirmó la teoría general de la relatividad de Einstein. Esto la impresionó tanto que decidió elegir la física y la astronomía en lugar de la botánica. Cuando más tarde se encontró con Eddington, como escribe en su autobiografía, “le espeté que me gustaría ser astrónoma… me dio la respuesta que me sustentaría a través de muchos desaires: 'No veo ninguna objeción insuperable'. La involucró en su trabajo sobre estructuras estelares, pero también le advirtió que después de Cambridge, probablemente no habría oportunidades para una astrónoma en Inglaterra.

nuevas costas

Afortunadamente, surgió una nueva posibilidad cuando Payne-Gaposchkin conoció a Harlow Shapley, director de la Observatorio de Harvard College en Cambridge, Massachusetts, durante su visita al Reino Unido. Él alentó sus esfuerzos y ella se enteró de que estaba instituyendo un programa de posgrado en astronomía. Con una entusiasta recomendación de Eddington, Shapley le ofreció un modesto estipendio como becaria de investigación. En 1923 navegó a los EE. UU. para comenzar a trabajar en un doctorado bajo la dirección de Shapley.

Las mujeres habían contribuido durante mucho tiempo a la investigación en el Observatorio de Harvard. En la década de 1870, el predecesor de Shapley como director, Charles Pickering, había comenzado a contratar mujeres conocidas como las "computadoras de Harvard" (en el sentido original de una persona que hace cálculos) para analizar las reservas de datos que recopilaba el observatorio. Se prefería a las mujeres porque se pensaba que eran más pacientes que los hombres para el trabajo que implicaba detalles finos y aceptaban salarios más bajos que los hombres. Algunas de las computadoras fueron contratadas sin experiencia en ciencias, pero incluso aquellos con títulos universitarios fueron pagados como trabajadores no calificados a 25-50 centavos por hora (ver “El universo a través de un cristal oscuramente").

Los Computadores de Harvard no eran investigadores independientes, sino asistentes con proyectos asignados. Sin embargo, estas mujeres hicieron algunas de las contribuciones más significativas a la astronomía observacional temprana. Entre ellos se encontraban Henrietta Swan Leavitt, famosa por su descubrimiento de la relación período-luminosidad de las variables cefeidas, y Annie Jump Cannon, reconocida internacionalmente por organizar espectros estelares.

Se sabía desde mediados del siglo XIX que cada elemento produce un patrón único de líneas espectrales, y que los espectros de diferentes estrellas mostraban similitudes y diferencias. Esto sugirió que las estrellas podrían clasificarse en grupos, pero hubo poco acuerdo sobre la mejor manera de hacerlo.

En 1894, Cannon inició el proyecto de examinar los espectros estelares recogidos en el observatorio y ponerlos en un orden útil. Esta abrumadora tarea la ocupó durante años. Los espectros de diferentes estrellas se registraron en placas fotográficas de vidrio, con cada imagen de no más de una pulgada de largo. Con una lupa, Cannon leyó los detalles de cientos de miles de espectros y clasificó la mayoría de ellos en seis grupos denominados B, A, F, G, K y M, con una minoría ubicada en el grupo O. El sistema se basaba en el la fuerza de las líneas de absorción de Balmer (que describen las emisiones de líneas espectrales del átomo de hidrógeno) y refleja las firmas espectrales de elementos particulares, como los metales en las estrellas K.

Estudios espectrales

Cannon, sin embargo, no investigó los mecanismos físicos que causaron los espectros, ni extrajo información cuantitativa de ellos. En su trabajo de doctorado, Payne-Gaposchkin se basó en la física que había aprendido en Cambridge para analizar este conjunto único de datos con las últimas teorías. El origen de las líneas espectrales había sido establecido solo una década antes, en 1913, por la temprana teoría cuántica del átomo de hidrógeno de Niels Bohr, más tarde ampliada por otros. Estas teorías se aplican a los átomos neutros. La gran intuición de Payne-Gaposchkin fue apreciar que los espectros de los átomos excitados o ionizados (como los que se producirían en la atmósfera exterior caliente de una estrella) diferían de los de los átomos neutros de la misma especie.

La relación entre la temperatura, los estados cuánticos de los átomos calientes y sus líneas espectrales fue deducida en 1921 por el físico indio Meghnad Saha. No podía probar completamente sus ideas sin conocer los niveles de energía cuántica de cada elemento, pero estos se estaban midiendo cuando Payne-Gaposchkin comenzó su investigación. En un gran esfuerzo, combinó los nuevos datos con la teoría de Saha para interpretar completamente los espectros estelares de Cannon, incluidos los efectos de la temperatura. Un resultado significativo fue la correlación de las temperaturas estelares con las categorías de Cannon, con resultados que todavía se utilizan hoy en día: por ejemplo, las estrellas B brillan a 20,000 3000 K, mientras que las estrellas M brillan a solo 1925 K. Este resultado, parte de la notable tesis de Payne-Gaposchkin de XNUMX Atmósferas estelares, fue bien recibida pero otro resultado en su tesis no lo fue.

Enigmas compositivos

Payne-Gaposchkin calculó la abundancia relativa de cada elemento visto en los espectros estelares. Para 15 de ellos, desde litio hasta bario, los resultados fueron similares para diferentes estrellas y "mostraron un paralelo sorprendente con la composición de la Tierra". Esto coincidía con la creencia de los astrónomos de la época de que las estrellas estaban hechas del mismo material que la Tierra.

Pero luego vino una gran sorpresa: su análisis también mostró que el hidrógeno era un millón de veces más abundante que los demás elementos. El helio, por su parte, era mil veces más abundante. La conclusión de que el Sol estaba hecho casi en su totalidad de hidrógeno inmediatamente se convirtió en un problema para un examinador externo respetado de su disertación. Este era Henry Russell, director del Observatorio de Princeton y un firme defensor de la idea de que la Tierra y el Sol tenían la misma composición. Russell quedó impresionado hasta que leyó su resultado para el hidrógeno. Luego le escribió a Payne-Gaposchkin que debe haber algo mal con la teoría porque “es claramente imposible que el hidrógeno sea un millón de veces más abundante que los metales”.

Sin la bendición de Russell, la tesis no sería aceptada, por lo que Payne-Gaposchkin hizo lo que sintió que tenía que hacer. En la versión final de su tesis, repudió esa parte de su trabajo al escribir: "La enorme abundancia derivada de [hidrógeno y helio] es casi seguro que no es real". Pero en 1929, Russell publicó su propia derivación de la abundancia estelar de los elementos, incluido el hidrógeno, utilizando un método diferente. Citó el trabajo de Payne-Gaposchkin y señaló que sus resultados para todos los elementos, incluida la gran abundancia de hidrógeno, coincidían notablemente con los de ella. Sin decirlo directamente, el artículo de Russell confirmó que todo el análisis de Payne-Gaposchkin era correcto y que ella fue la primera en descubrir que el Sol está compuesto principalmente de hidrógeno. A pesar de eso, nunca dijo que originalmente había rechazado ese resultado en su tesis.

Puede ser que Russell haya ofrecido su comentario sobre el hidrógeno para advertir a una joven científica que presentar resultados contrarios a las ideas aceptadas podría perjudicar su carrera. Probablemente solo un investigador senior de la talla de Russell podría haber convencido a la comunidad astronómica de este nuevo hallazgo. De hecho, su artículo posterior influyó en los astrónomos para que aceptaran que las estrellas están hechas de hidrógeno hasta el punto de que se le atribuyó el descubrimiento.

La fuerza de la tesis de Cecilia Payne-Gaposchkin habla por sí misma. Su estilo de escritura lúcido, dominio del tema y ciencia pionera brillan a través de

Incluso sin el debido crédito, el poder de la tesis de Payne-Gaposchkin habla por sí mismo. Su estilo de escritura lúcido, dominio del tema y ciencia pionera brillan. Shapley imprimió el trabajo como una monografía y vendió 600 copias, prácticamente el estatus de bestseller para una disertación. El mayor elogio llegó casi 40 años después, cuando el distinguido astrónomo Otto Struve llamó Atmósferas estelares “la tesis doctoral más brillante jamás escrita en astronomía”.

Si Payne-Gaposchkin tenía alguna mala voluntad hacia Russell, no dio muestras de ello y mantuvo una relación personal con él. En una revisión de su trabajo que ella contribuyó a un simposio de 1977 en su honor (murió en 1957), calificó su artículo de 1929 de "hacer época" sin referirse a su propio trabajo. Lo que sí lamentó mucho fue no haber respaldado su resultado. Su hija Katherine Haramundanis escribió que “a lo largo de su vida, lamentó esa decisión”. En su autobiografía, Payne-Gaposchkin escribió: “Yo tuve la culpa de no haber insistido en mi punto. Había cedido a la Autoridad cuando creía que tenía razón... Lo anoto aquí como una advertencia para los jóvenes. Si está seguro de sus hechos, debe defender su posición”.

Luchando contra el sesgo y el prejuicio

Después de completar su tesis, Payne-Gaposchkin se quedó en el observatorio con Shapley, pero en una situación anómala. Ella quería continuar con la investigación astrofísica, pero como Shapley le pagaba un (pequeño) salario como su "asistente técnico", sintió que podía dirigirla como si fuera una computadora de Harvard, y la puso a trabajar midiendo el brillo de las estrellas, una proyecto rutinario que no la comprometía mucho. Shapley también la hizo enseñar cursos de posgrado, pero sin el título de "instructora", y mucho menos "profesor", y sin que sus cursos figuren en el catálogo. En un intento de remediar esto, Shapley se acercó al decano y al presidente de Harvard, el abad Lawrence Lowell, pero se negaron rotundamente. Lowell le dijo a Shapley que Miss Payne (como se la conocía entonces) “nunca tendría un puesto en la Universidad mientras él viviera”.

El sesgo de género como este afectó a Payne-Gaposchkin en cada etapa de su carrera. Su doctorado (el primero en astronomía en Harvard) no era técnicamente de Harvard. Shapley le había pedido al presidente del departamento de física de Harvard que aprobara la disertación, pero como Shapley le contó a Payne-Gaposchkin, el presidente se negó a aceptar a una candidata mujer. En su lugar, Shapley tuvo que hacer arreglos para que su doctorado fuera otorgado por Radcliffe, la universidad de mujeres de Harvard. Cuando más tarde comenzó a construir un verdadero departamento de astronomía en Harvard, Shapley estaba convencido de que Payne-Gaposchkin, su mejor investigadora, estaba bien calificada para servir como su primera cátedra, pero se dio cuenta de que Lowell nunca lo permitiría, así que trajo en un astrónomo masculino.

Después de décadas de trabajo en el observatorio, publicando libros y cientos de trabajos de investigación y convirtiéndose en un instructor solicitado, Payne-Gaposchkin permaneció en una especie de crepúsculo profesional: mal pagado y sin un puesto académico real. Esto cambió recién en 1954, después de que Shapley se jubilara y Donald Menzel, el estudiante premiado de Russell en Princeton, se convirtiera en director del observatorio. Descubrió lo poco que le pagaban a Payne-Gaposchkin y duplicó su salario, y luego hizo algo verdaderamente significativo. Con Lowell y su sesgo anti-mujer desaparecidos hace mucho tiempo (se había retirado en 1933), Menzel pudo conseguir que Payne-Gaposchkin fuera nombrado profesor titular de astronomía. Esta fue una gran noticia: la New York Times informó el 21 de junio de 1956 que "[Payne-Gaposchkin] es la primera mujer en obtener una cátedra completa en Harvard a través de la promoción regular de la facultad". Unos meses más tarde, se convirtió en directora del departamento de astronomía, la primera mujer en dirigir un departamento en Harvard.

En retrospectiva, la carrera de Payne-Gaposchkin fue eminentemente exitosa con una disertación destacada, una investigación prolífica, una enseñanza excelente y una distinción por sus "primicias" en Harvard y otros honores. Junto a todo su trabajo académico, encontró espacio para su vida personal. Se casó con el astrónomo emigrado ruso Sergei Gaposchkin en 1934 y con él crió a tres hijos mientras continuaba con la investigación astronómica.

Conducción excepcional

En cierto sentido, uno podría decir que ella "lo tenía todo" al combinar la ciencia con la familia y los niños, pero lograrlo fue innecesariamente difícil y agotador debido al prejuicio contra las mujeres. Se convirtió en profesora titular solo a los 56 años, mucho más tarde de lo que un hombre con logros similares habría alcanzado ese estatus, y después de haber sido ignorada para el ascenso, lo que debe haber tenido un costo psicológico. Solo una persona con un impulso y una persistencia excepcionales, junto con la capacidad científica, podría haber perdurado hasta el reconocimiento final.

En última instancia, Cecilia Payne-Gaposchkin, quien murió en 1979, fue una científica pionera que realizó un trabajo increíble a lo largo de su carrera, pero que no recibió un trato profesional durante la mayor parte de su carrera. La mayoría de las computadoras de Harvard eran empleados, en lugar de investigadores o estudiantes graduados. Si bien Shapley le dio a Payne-Gaposchkin oportunidades importantes y entendió lo buena científica que era, también la trató simplemente como una computadora más de Harvard, contratada para respaldar sus propios planes para el observatorio. Ella hizo avanzar la posición de las mujeres en astronomía más allá de las computadoras, pero aún encontró barreras que le impidieron ser la científica completa que quería ser, como las mujeres solo comenzaron a lograr más tarde en el siglo XX. Su trabajo estelar a menudo se pasó por alto y su legado se olvidó, ya que se convirtió en una de las muchas mujeres científicas "ocultas" que realmente sentaron las bases en sus campos. Es solo más recientemente que las contribuciones significativas de personas como Payne-Gaposchkin están siendo pospuestas en la historia de la ciencia, y ella debe ser recordada como una figura de transición clave entre las posibilidades más antiguas y más nuevas para las mujeres en la ciencia.

El puesto Cecilia Payne-Gaposchkin: la mujer que encontró hidrógeno en las estrellas apareció por primera vez en Mundo de la física.

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• Fuente: https://physicsworld.com/a/cecilia-payne-gaposchkin-the-woman-who-found-hydrogen-in-the-stars/