Cecilia Payne-Gaposchkin : la femme qui a trouvé l'hydrogène dans les étoiles

L’hydrogène, l’atome le plus simple, est un élément de base de l’univers. Nous savons qu’elle a existé peu après la naissance de l’univers et qu’elle apparaît toujours comme une grande partie du milieu interstellaire dans lequel se forment les étoiles. C’est également le combustible nucléaire qui permet aux étoiles de rayonner d’immenses quantités d’énergie à mesure qu’elles évoluent au fil des éons pour créer les éléments chimiques.

Mais comment avons-nous appris que l’hydrogène est un composant fondamental et répandu de l’univers ? Peu de gens savent que l’importance cosmique de l’hydrogène a été comprise pour la première fois par une jeune doctorante, Cecilia Payne (Payne-Gaposchkin après son mariage), qui, en 1925, a découvert l’hydrogène dans les étoiles. En effet, elle a obtenu un doctorat à une époque où il était encore extrêmement difficile pour les femmes de le faire, et a mené des recherches révolutionnaires pour sa thèse. Malgré le succès de sa science, son histoire démontre également les barrières et le sexisme qui ont empêché les femmes de réaliser leurs aspirations scientifiques et ont affecté leur carrière tout au long.

Jeune scientifique

Cecilia Payne est née à Wendover, en Angleterre, en 1900. Son père est décédé quand elle avait quatre ans, mais sa mère Emma a vu qu'elle avait un enfant surdoué qui voulait devenir scientifique. Emma a inscrit sa fille à la St Paul’s School for Girls de Londres, bien équipée pour enseigner les sciences. La jeune fille de 17 ans y a prospéré et, comme Payne-Gaposchkin l'a écrit plus tard dans son autobiographie La main du teinturier (republié sous le titre Cecilia Payne-Gaposchkin : une autobiographie et autres souvenirs), elle se rendait au laboratoire scientifique pour « un petit service d'adoration à moi, adorant les éléments chimiques ».

Ses études scientifiques avancées débutèrent en 1919 lorsqu'elle entra Newnham College au l'Université de Cambridge grâce à une bourse. Elle y étudie la botanique, son premier amour, ainsi que la physique et la chimie, même si à l'époque l'université ne proposait pas de diplômes aux femmes. Néanmoins, c’était une période passionnante pour étudier les sciences physiques, car elles absorbaient les domaines naissants de la mécanique quantique et de la relativité.

À Cambridge, des gens comme Ernest Rutherford exploraient les mondes atomique et subatomique, et Arthur Eddington étudiait la structure et le développement des étoiles. En effet, le professeur de physique de Payne-Gaposchkin était Rutherford lui-même, mais en tant que seule femme de sa classe, elle s'est retrouvée humiliée. Le règlement universitaire de l’époque exigeait qu’elle soit assise au premier rang. Comme elle le raconte dans son autobiographie : « À chaque conférence, [Rutherford] me regardait avec insistance… et commençait de sa voix de stentor : «Femmes et messieurs.’ Tous les garçons accueillaient régulièrement ce mot d’esprit par un tonnerre d’applaudissements [et] en tapant du pied… à chaque conférence, j’aurais aimé pouvoir m’enfoncer dans la terre. Aujourd’hui encore, je prends instinctivement ma place le plus loin possible dans une salle de cours. »

Au lieu de cela, Payne-Gaposchkin a trouvé l’inspiration chez Eddington. Presque par hasard, elle a assisté à sa conférence sur son expédition de 1919 en Afrique de l’Ouest qui confirmait la théorie de la relativité générale d’Einstein. Cela l’a tellement impressionnée qu’elle a décidé de choisir la physique et l’astronomie plutôt que la botanique. Lorsqu'elle rencontra plus tard Eddington, comme elle l'écrit dans son autobiographie, « j'ai laissé échapper que j'aimerais devenir astronome… il a fait la réponse qui devait me soutenir malgré de nombreuses rebuffades : 'Je ne vois aucune objection insurmontable.' » Il l'a engagée dans ses travaux sur les structures stellaires, mais il l'a également avertie qu'après Cambridge, il n'y aurait probablement aucune opportunité pour une femme astronome en Angleterre.

De nouveaux rivages

Heureusement, une nouvelle possibilité s'est présentée lorsque Payne-Gaposchkin a rencontré Harlow Shapley, directeur du Observatoire du Harvard College à Cambridge, Massachusetts, lors de sa visite au Royaume-Uni. Il l'encouragea dans ses efforts et elle apprit qu'il créait un programme d'études supérieures en astronomie. Avec une recommandation élogieuse d'Eddington, Shapley lui a offert une modeste allocation en tant que chercheuse. En 1923, elle s’embarqua pour les États-Unis pour commencer à travailler sur un doctorat sous la direction de Shapley.

Les femmes contribuent depuis longtemps aux recherches de l’Observatoire de Harvard. Dans les années 1870, le prédécesseur de Shapley à la direction, Charles Pickering, avait commencé à embaucher des femmes connues sous le nom de « Harvard Computers » (au sens originel de personne qui effectue des calculs) pour analyser les réserves de données collectées par l’observatoire. Les femmes étaient préférées parce qu'elles étaient considérées comme plus patientes que les hommes pour les travaux impliquant des détails précis, et elles acceptaient des salaires inférieurs à ceux des hommes. Certains ordinateurs ont été embauchés sans formation scientifique, mais même ceux qui possédaient un diplôme universitaire étaient payés comme des travailleurs non qualifiés, entre 25 et 50 cents de l'heure (voir «L'univers à travers un verre sombre»).

Les ordinateurs de Harvard n'étaient pas des chercheurs indépendants, mais des assistants chargés de projets. Néanmoins, ces femmes ont apporté certaines des contributions les plus significatives aux débuts de l’astronomie d’observation. Parmi eux, Henrietta Swan Leavitt – célèbre pour sa découverte de la relation période-luminosité des variables céphéides – et Annie Jump Cannon, reconnue internationalement pour l'organisation des spectres stellaires.

On savait depuis le milieu du XIXe siècle que chaque élément produit un motif unique de raies spectrales et que les spectres des différentes étoiles présentaient à la fois des similitudes et des différences. Cela suggérait que les étoiles pouvaient être classées en groupes, mais il y avait peu d'accord sur la meilleure façon de procéder.

En 1894, Cannon commença le projet d'examiner les spectres stellaires collectés à l'observatoire et de les classer dans un ordre utile. Cette tâche ardue l'a occupée pendant des années. Les spectres de différentes étoiles ont été enregistrés sur des plaques photographiques en verre, chaque image ne mesurant pas plus d'un pouce de long. Avec une loupe, Cannon a lu les détails de centaines de milliers de spectres et a trié la plupart d'entre eux en six groupes étiquetés B, A, F, G, K et M, avec une minorité placée dans le groupe O. Le système était basé sur le force des raies d'absorption de Balmer (qui décrivent les émissions de raies spectrales de l'atome d'hydrogène) et reflétaient les signatures spectrales d'éléments particuliers, tels que les métaux dans les étoiles K.

Etudes spectrales

Cannon, cependant, n’a pas sondé les mécanismes physiques à l’origine des spectres, ni n’en a extrait d’informations quantitatives. Dans son travail de doctorat, Payne-Gaposchkin s'est appuyée sur la physique qu'elle avait apprise à Cambridge pour analyser cette cache unique de données avec les théories les plus récentes. L’origine des raies spectrales avait été établie dix ans plus tôt, en 1913, par la première théorie quantique de l’atome d’hydrogène de Niels Bohr, étendue plus tard par d’autres. Ces théories s'appliquaient aux atomes neutres. La grande perspicacité de Payne-Gaposchkin a été de comprendre que les spectres des atomes excités ou ionisés – comme ceux qui se produisent dans l’atmosphère extérieure chaude d’une étoile – différaient de ceux des atomes neutres de la même espèce.

La relation entre la température, les états quantiques des atomes chauds et leurs raies spectrales avait été établie en 1921 par le physicien indien Meghnad Saha. Il ne pouvait pas tester pleinement ses idées sans connaître les niveaux d'énergie quantique de chaque élément, mais ceux-ci étaient en cours de mesure lorsque Payne-Gaposchkin a commencé ses recherches. Dans un effort considérable, elle a combiné les nouvelles données avec la théorie de Saha pour interpréter pleinement les spectres stellaires de Cannon, y compris les effets de température. Un résultat significatif a été la corrélation des températures stellaires avec les catégories de Cannon, avec des résultats encore utilisés aujourd'hui : par exemple, les étoiles B brillent à 20,000 3000 K alors que les étoiles M brillent à seulement 1925 XNUMX K. Ce résultat fait partie de la remarquable thèse de Payne-Gaposchkin de XNUMX. Atmosphères stellaires, a été bien accueillie, mais un autre résultat de sa thèse ne l'a pas été.

Des énigmes compositionnelles

Payne-Gaposchkin a calculé l'abondance relative de chaque élément observé dans le spectre stellaire. Pour 15 d’entre elles, du lithium au baryum, les résultats étaient similaires pour différentes étoiles et « montraient un parallèle frappant avec la composition de la Terre ». Cela concordait avec la croyance des astronomes de l’époque, selon laquelle les étoiles étaient constituées de la même matière que la Terre.

Mais ensuite, une grande surprise s’est produite : son analyse a également montré que l’hydrogène était un million de fois plus abondant que les autres éléments. L’hélium, quant à lui, était mille fois plus abondant. La conclusion selon laquelle le Soleil était presque entièrement constitué d’hydrogène s’est immédiatement heurtée à un examinateur extérieur respecté de sa thèse. Il s’agissait d’Henry Russell, directeur de l’Observatoire de Princeton et fervent partisan de l’idée selon laquelle la Terre et le Soleil avaient la même composition. Russell a été impressionné jusqu'à ce qu'il lise son résultat pour l'hydrogène. Puis il écrivit à Payne-Gaposchkin qu’il devait y avoir quelque chose qui n’allait pas dans cette théorie car « il est clairement impossible que l’hydrogène soit un million de fois plus abondant que les métaux ».

Sans la bénédiction de Russell, la thèse ne serait pas acceptée et Payne-Gaposchkin a donc fait ce qu’elle pensait devoir faire. Dans la version finale de sa thèse, elle a nié cette partie de son travail en écrivant : « L’énorme abondance dérivée de [l’hydrogène et de l’hélium] n’est presque certainement pas réelle ». Mais en 1929, Russell publia sa propre dérivation de l'abondance stellaire des éléments, dont l'hydrogène, en utilisant une méthode différente. Il a cité les travaux de Payne-Gaposchkin et a noté que ses résultats pour tous les éléments, y compris la grande abondance d’hydrogène, concordaient remarquablement bien avec les siens. Sans le dire directement, l’article de Russell a confirmé que l’ensemble de l’analyse de Payne-Gaposchkin était correcte et qu’elle était la première à découvrir que le Soleil est principalement constitué d’hydrogène. Malgré cela, il n’a jamais déclaré qu’il avait initialement rejeté ce résultat dans sa thèse.

Il se peut que Russell ait fait son commentaire sur l’hydrogène pour avertir une jeune scientifique que présenter des résultats contraires aux idées reçues pourrait nuire à sa carrière. Seul un chercheur chevronné de la stature de Russell aurait probablement pu convaincre la communauté astronomique de cette nouvelle découverte. En effet, son article ultérieur a incité les astronomes à accepter que les étoiles sont constituées d'hydrogène, au point qu'on lui a attribué la découverte.

La puissance de la thèse de Cecilia Payne-Gaposchkin parle d’elle-même. Son style d'écriture lucide, sa maîtrise du sujet et sa science pionnière transparaissent

Même sans crédit, la puissance de la thèse de Payne-Gaposchkin parle d’elle-même. Son style d’écriture lucide, sa maîtrise du sujet et sa science pionnière transparaissent. Shapley a fait imprimer l'ouvrage sous forme de monographie et il s'est vendu à 600 exemplaires – un statut pratiquement de best-seller pour une thèse. Le plus grand éloge est venu près de 40 ans plus tard, lorsque l'éminent astronome Otto Struve a appelé Atmosphères stellaires « la thèse de doctorat la plus brillante jamais rédigée en astronomie ».

Si Payne-Gaposchkin avait de la mauvaise volonté à l'égard de Russell, elle n'en donnait aucun signe extérieur et entretenait une relation personnelle avec lui. Dans une revue de son travail qu'elle a contribué à un symposium de 1977 en son honneur (il est décédé en 1957), elle a qualifié son article de 1929 de « qui fait époque » sans faire référence à son propre travail. Ce qu'elle a fortement regretté, c'est de ne pas avoir soutenu son résultat. Sa fille Katherine Haramundanis a écrit que « tout au long de sa vie, elle a déploré cette décision ». Dans son autobiographie, Payne-Gaposchkin a écrit : « J'étais responsable de ne pas avoir insisté sur mon point. J'avais cédé à l'Autorité alors que je croyais avoir raison… Je le note ici comme un avertissement aux jeunes. Si vous êtes sûr de vos faits, vous devez défendre votre position.

Combattre les préjugés et les préjugés

Après avoir terminé sa thèse, Payne-Gaposchkin est restée à l'observatoire sous Shapley, mais dans une situation anormale. Elle voulait continuer la recherche astrophysique, mais comme Shapley lui versait un (petit) salaire en tant qu'« assistante technique », il sentit qu'il pouvait la diriger comme si elle était un ordinateur de Harvard, et il la fit travailler à mesurer la luminosité des étoiles – un projet de routine qui ne l'engageait pas beaucoup. Shapley lui a également fait enseigner des cours d'études supérieures, mais sans le titre d'« instructeur », encore moins de « professeur », et sans que ses cours soient répertoriés dans le catalogue. Pour tenter de remédier à cela, Shapley a contacté le doyen et président de Harvard, l’abbé Lawrence Lowell, mais ils ont catégoriquement refusé. Lowell a déclaré à Shapley que Miss Payne (comme on l'appelait à l'époque) «n'aurait jamais de poste à l'université tant qu'il serait en vie».

De tels préjugés sexistes ont affecté Payne-Gaposchkin à chaque étape de sa carrière. Son doctorat (le premier en astronomie à Harvard) ne venait pas techniquement de Harvard. Shapley avait demandé au directeur du département de physique de Harvard d'approuver la thèse, mais comme Shapley l'a fait savoir à Payne-Gaposchkin, le président a refusé d'accepter une candidate. Au lieu de cela, Shapley a dû faire en sorte que son doctorat soit décerné par Radcliffe, le collège des femmes de Harvard. Quand plus tard il entreprit de construire un véritable département d'astronomie à Harvard, Shapley était convaincu que Payne-Gaposchkin, son meilleur chercheur, était tout à fait qualifié pour en être la première chaire - mais il se rendit compte que Lowell ne le permettrait jamais, et il fit donc appel à lui. chez un astronome masculin.

Après des décennies de travail à l’observatoire, publiant des livres et des centaines d’articles de recherche et devenant un instructeur recherché, Payne-Gaposchkin est resté dans une sorte de crépuscule de carrière – mal payé et sans véritable poste universitaire. Cela n’a changé qu’en 1954, après que Shapley a pris sa retraite et que Donald Menzel, l’étudiant primé de Russell à Princeton, est devenu directeur de l’observatoire. Il a découvert à quel point Payne-Gaposchkin était peu payée et a doublé son salaire, puis a fait quelque chose de vraiment important. Lowell et ses préjugés anti-femmes ayant disparu depuis longtemps (il avait pris sa retraite en 1933), Menzel réussit à faire nommer Payne-Gaposchkin professeur titulaire d'astronomie. C'était une grande nouvelle : le rapportait le 21 juin 1956 que « [Payne-Gaposchkin] est la première femme à accéder au poste de professeur titulaire à Harvard grâce à une promotion régulière du corps professoral ». Quelques mois plus tard, elle devient directrice du département d'astronomie, première femme à diriger un département à Harvard.

Rétrospectivement, la carrière de Payne-Gaposchkin a été extrêmement réussie avec une thèse exceptionnelle, des recherches prolifiques, un excellent enseignement et des distinctions pour ses « premières » à Harvard et d’autres distinctions. Parallèlement à tous ses travaux académiques, elle a trouvé de la place pour sa vie personnelle. Elle épousa l'astronome russe émigré Sergei Gaposchkin en 1934 et avec lui éleva trois enfants tout en poursuivant ses recherches astronomiques.

Conduite exceptionnelle

Dans un certain sens, on pourrait dire qu’elle « avait tout fait » en combinant la science avec sa famille et ses enfants, mais y parvenir était inutilement difficile et exténuant en raison des préjugés contre les femmes. Elle n’est devenue professeur titulaire qu’à 56 ans, bien plus tard qu’un homme ayant des réalisations similaires n’aurait atteint ce statut, et après avoir été écartée pour l’avancement, ce qui a dû avoir des conséquences psychologiques. Seule une personne dotée d'un dynamisme et d'une persévérance exceptionnels, ainsi que de capacités scientifiques, aurait pu tenir jusqu'à la reconnaissance finale.

En fin de compte, Cecilia Payne-Gaposchkin, décédée en 1979, était une scientifique pionnière qui a réalisé un travail incroyable tout au long de sa carrière, mais qui n'a pas été traitée de manière professionnelle pour la majeure partie. La plupart des ordinateurs de Harvard étaient des employés plutôt que des chercheurs ou des étudiants diplômés. Alors que Shapley a donné à Payne-Gaposchkin d'importantes opportunités et a compris à quel point elle était une bonne scientifique, il l'a également traitée simplement comme un ordinateur de Harvard de plus, engagé pour soutenir ses propres projets d'observatoire. Elle a fait progresser la position des femmes en astronomie au-delà de celle des ordinateurs, mais elle s'est néanmoins heurtée à des obstacles qui l'ont empêchée de devenir la scientifique complète qu'elle souhaitait être, comme les femmes n'ont commencé à le faire que plus tard au XXe siècle. Son travail remarquable a souvent été négligé et son héritage oublié, car elle est devenue l’une des nombreuses femmes scientifiques « cachées » qui ont réellement jeté les bases de leur domaine. Ce n’est que plus récemment que les contributions significatives de Payne-Gaposchkin ont été post-scriptumées dans l’histoire des sciences, et il convient de se souvenir d’elle comme d’une figure de transition clé entre les anciennes et les nouvelles possibilités des femmes dans la science.

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