Cecilia Payne-Gaposchkin: la donna che ha trovato l'idrogeno nelle stelle

L'idrogeno, l'atomo più semplice, è un elemento fondamentale dell'universo. Sappiamo che esisteva subito dopo la nascita dell'universo e che appare ancora come gran parte del mezzo interstellare in cui si formano le stelle. È anche il combustibile nucleare che fa sì che le stelle irradino immense quantità di energia mentre si evolvono nel corso di eoni per creare gli elementi chimici.

Ma come abbiamo imparato che l’idrogeno è una componente diffusa e fondamentale dell’universo? Non abbastanza persone sanno che l'importanza cosmica dell'idrogeno fu colta per la prima volta da una giovane dottoranda, Cecilia Payne (Payne-Gaposchkin dopo il matrimonio), che nel 1925 scoprì l'idrogeno nelle stelle. In effetti, ha conseguito un dottorato di ricerca in un momento in cui era ancora estremamente difficile per le donne ottenerlo, e ha svolto ricerche rivoluzionarie per la sua tesi. Nonostante tutto il successo della sua scienza, la sua storia dimostra anche le barriere e il sessismo che hanno reso difficile per le donne realizzare le loro aspirazioni scientifiche e hanno influenzato le loro carriere.

Giovane scienziato

Cecilia Payne nacque a Wendover, in Inghilterra, nel 1900. Suo padre morì quando lei aveva quattro anni, ma sua madre Emma vide che aveva un figlio dotato che voleva diventare uno scienziato. Emma iscrisse sua figlia alla St Paul's School for Girls di Londra, che era ben attrezzata per insegnare scienze. La diciassettenne prosperò lì e, come scrisse in seguito Payne-Gaposchkin nella sua autobiografia La mano del tintore (ripubblicato con il titolo Cecilia Payne-Gaposchkin: un'autobiografia e altri ricordi), si sarebbe intrufolata nel laboratorio di scienze per "un piccolo servizio di culto tutto mio, adorando gli elementi chimici".

La sua educazione scientifica avanzata iniziò nel 1919 quando entrò Newnham College alla Università di Cambridge su una borsa di studio. Lì studiò botanica, il suo primo amore, ma anche fisica e chimica, nonostante all’epoca l’università non offrisse lauree alle donne. Tuttavia, era un periodo entusiasmante per studiare la scienza fisica poiché assorbiva le aree nascenti della meccanica quantistica e della relatività.

A Cambridge artisti del calibro di Ernest Rutherford esploravano i mondi atomico e subatomico, mentre Arthur Eddington studiava la struttura e lo sviluppo delle stelle. In effetti, l’insegnante di fisica di Payne-Gaposchkin era Rutherford stesso, ma essendo l’unica donna della sua classe, si ritrovò umiliata. I regolamenti universitari dell'epoca richiedevano che lei sedesse in prima fila. Come racconta nella sua autobiografia, “Ad ogni conferenza [Rutherford] mi guardava con attenzione... e cominciava con la sua voce stentorea: 'Donna e signori”. Tutti i ragazzi accoglievano regolarmente questa battuta con un fragoroso applauso [e] battendo i piedi… ad ogni conferenza avrei desiderato poter sprofondare nella terra. Ancora oggi, istintivamente, prendo il mio posto il più indietro possibile in un’aula.”

Invece, Payne-Gaposchkin ha trovato ispirazione in Eddington. Quasi per caso, assistette alla sua conferenza sulla spedizione del 1919 in Africa occidentale che confermò la teoria della relatività generale di Einstein. Ciò la colpì così tanto che decise di scegliere la fisica e l'astronomia invece della botanica. Quando più tardi le capitò di incontrare Eddington, come scrive nella sua autobiografia, “gli dissi che mi sarebbe piaciuto diventare un astronomo... lui mi diede la risposta che mi avrebbe sostenuto nonostante molti rifiuti: 'Non vedo alcuna obiezione insuperabile.' La coinvolse nel suo lavoro sulle strutture stellari, ma la avvertì anche che dopo Cambridge probabilmente non ci sarebbero state opportunità per un'astronoma donna in Inghilterra.

Nuove sponde

Fortunatamente, una nuova possibilità si è presentata quando Payne-Gaposchkin ha incontrato Harlow Shapley, direttore del Osservatorio dell'Harvard College a Cambridge, Massachusetts, durante la sua visita nel Regno Unito. Incoraggiò i suoi sforzi e lei apprese che stava istituendo un corso di laurea in astronomia. Con una brillante raccomandazione da parte di Eddington, Shapley le offrì un modesto stipendio come ricercatrice. Nel 1923 salpò per gli Stati Uniti per iniziare a lavorare su un dottorato di ricerca sotto la direzione di Shapley.

Le donne contribuivano da tempo alla ricerca presso l'Osservatorio di Harvard. Nel 1870 il predecessore di Shapley come direttore, Charles Pickering, aveva iniziato ad assumere donne conosciute come le “Harvard Computers” (nel senso originale di una persona che fa calcoli) per analizzare le riserve di dati che l’osservatorio stava raccogliendo. Le donne erano preferite perché ritenute più pazienti degli uomini per i lavori che comportavano minuzie dettagliate e accettavano salari più bassi rispetto agli uomini. Alcuni computer venivano assunti senza una formazione scientifica, ma anche quelli con una laurea venivano pagati come lavoratori non qualificati a 25-50 centesimi l’ora (vedi “L'universo attraverso un vetro oscuramente").

Gli Harvard Computers non erano ricercatori indipendenti, ma assistenti con progetti assegnati. Tuttavia, queste donne diedero alcuni dei contributi più significativi alla prima astronomia osservativa. Tra questi figurano Henrietta Swan Leavitt – famosa per la sua scoperta della relazione periodo-luminosità delle variabili Cefeidi – e Annie Jump Cannon, riconosciuta a livello internazionale per l'organizzazione degli spettri stellari.

Fin dalla metà del XIX secolo si sapeva che ciascun elemento produce uno schema unico di linee spettrali e che gli spettri di stelle diverse mostravano somiglianze e differenze. Ciò suggeriva che le stelle potessero essere classificate in gruppi, ma c’era poco accordo sul modo migliore per farlo.

Nel 1894 Cannon iniziò il progetto di esaminare gli spettri stellari raccolti presso l'osservatorio e di metterli in un ordine utile. Questo compito arduo l'ha occupata per anni. Gli spettri di diverse stelle furono registrati su lastre fotografiche di vetro, con ciascuna immagine lunga non più di un pollice. Con una lente d'ingrandimento, Cannon lesse i dettagli di centinaia di migliaia di spettri e ne divise la maggior parte in sei gruppi etichettati B, A, F, G, K e M, con una minoranza collocata nel gruppo O. Il sistema era basato sul la forza delle linee di assorbimento di Balmer (che descrivono le emissioni delle linee spettrali dell'atomo di idrogeno) e rifletteva le firme spettrali di particolari elementi, come i metalli nelle stelle K.

Studi spettrali

Cannon, tuttavia, non ha indagato i meccanismi fisici che causavano gli spettri, né ha estratto da essi informazioni quantitative. Nel suo lavoro di dottorato, Payne-Gaposchkin ha attinto alla fisica che aveva imparato a Cambridge per analizzare questa cache unica di dati con le teorie più recenti. L’origine delle linee spettrali era stata stabilita solo un decennio prima, nel 1913, dalla prima teoria quantistica dell’atomo di idrogeno di Niels Bohr, successivamente estesa da altri. Queste teorie si applicavano agli atomi neutri. La grande intuizione di Payne-Gaposchkin fu quella di comprendere che gli spettri degli atomi eccitati o ionizzati – come avviene nella calda atmosfera esterna di una stella – differivano da quelli degli atomi neutri della stessa specie.

La relazione tra la temperatura, gli stati quantistici degli atomi caldi e le loro linee spettrali era stata dedotta nel 1921 dal fisico indiano Meghnad Saha. Non poteva testare completamente le sue idee senza conoscere i livelli di energia quantistica per ciascun elemento, ma questi venivano misurati quando Payne-Gaposchkin iniziò la sua ricerca. Con uno sforzo enorme, ha combinato i nuovi dati con la teoria di Saha per interpretare completamente gli spettri stellari di Cannon, compresi gli effetti della temperatura. Un risultato significativo fu la correlazione delle temperature stellari con le categorie di Cannon, con risultati utilizzati ancora oggi: ad esempio, le stelle B brillano a 20,000 K mentre le stelle M brillano a soli 3000 K. Questo risultato, parte della straordinaria tesi di Payne-Gaposchkin del 1925 Atmosfere stellari, è stata ben accolta, ma un altro risultato nella sua tesi non lo è stato.

Enigmi compositivi

Payne-Gaposchkin calcolò l'abbondanza relativa di ciascun elemento osservato negli spettri stellari. Per 15 di loro, dal litio al bario, i risultati erano simili per stelle diverse e “mostravano un sorprendente parallelo con la composizione della Terra”. Ciò concordava con la convinzione degli astronomi dell'epoca secondo cui le stelle erano fatte della stessa sostanza della Terra.

Ma poi arrivò una grande sorpresa: le sue analisi dimostrarono anche che l’idrogeno era un milione di volte più abbondante degli altri elementi. L’elio, nel frattempo, era mille volte più abbondante. La conclusione che il Sole fosse fatto quasi interamente di idrogeno finì immediatamente nei guai con un rispettato esaminatore esterno della sua tesi. Si trattava di Henry Russell, direttore dell'Osservatorio di Princeton e forte sostenitore dell'idea che la Terra e il Sole avessero la stessa composizione. Russell rimase impressionato finché non lesse il risultato per l'idrogeno. Poi scrisse a Payne-Gaposchkin che ci doveva essere qualcosa di sbagliato nella teoria perché “è chiaramente impossibile che l’idrogeno sia un milione di volte più abbondante dei metalli”.

Senza la benedizione di Russell, la tesi non sarebbe stata accettata e così Payne-Gaposchkin fece quello che sentiva di dover fare. Nella versione finale della sua tesi, ha rinnegato quella parte del suo lavoro scrivendo “L’enorme abbondanza derivata da [idrogeno ed elio] quasi certamente non è reale”. Ma nel 1929 Russell pubblicò la propria derivazione dell'abbondanza stellare degli elementi compreso l'idrogeno, utilizzando un metodo diverso. Citò il lavoro di Payne-Gaposchkin e notò che i suoi risultati per tutti gli elementi, inclusa la grande abbondanza di idrogeno, concordavano notevolmente con quelli di lei. Senza dirlo direttamente, l’articolo di Russell confermava che l’intera analisi di Payne-Gaposchkin era corretta e che lei fu la prima a scoprire che il Sole è composto principalmente da idrogeno. Nonostante ciò, non ha mai dichiarato di aver rifiutato originariamente tale risultato nella sua tesi.

Può darsi che Russell abbia offerto il suo commento sull’idrogeno per avvertire una giovane scienziata che presentare risultati contrari alle idee accettate potrebbe danneggiare la sua carriera. Probabilmente solo un ricercatore esperto della statura di Russell avrebbe potuto convincere la comunità astronomica di questa nuova scoperta. In effetti, il suo articolo successivo influenzò gli astronomi portandoli ad accettare che le stelle siano fatte di idrogeno, al punto che gli venne attribuita la scoperta.

La forza della tesi di Cecilia Payne-Gaposchkin parla da sola. Il suo stile di scrittura lucido, la padronanza della materia e la scienza pionieristica risaltano

Anche senza il giusto credito, la forza della tesi di Payne-Gaposchkin parla da sola. Il suo stile di scrittura lucido, la padronanza della materia e la scienza pionieristica risaltano. Shapley fece stampare l'opera come monografia e vendette 600 copie: praticamente lo status di bestseller per una tesi. Il massimo elogio arrivò quasi 40 anni dopo, quando venne a trovarci l'illustre astronomo Otto Struve Atmosfere stellari “la più brillante tesi di dottorato mai scritta in astronomia”.

Se Payne-Gaposchkin aveva qualche cattiva volontà nei confronti di Russell, non ne diede alcun segno esteriore e mantenne un rapporto personale con lui. In una recensione del suo lavoro a cui contribuì a un simposio del 1977 in suo onore (morì nel 1957), definì il suo articolo del 1929 "epocale" senza fare riferimento al proprio lavoro. Ciò di cui si rammaricava fortemente era di non aver sostenuto il suo risultato. Sua figlia Katherine Haramundanis ha scritto che "nel corso della sua vita si è lamentata di quella decisione". Nella sua autobiografia Payne-Gaposchkin ha scritto: “Ero colpevole di non aver insistito sul mio punto. Avevo ceduto all'Autorità quando credevo di avere ragione... Lo annoto qui come monito per i giovani. Se sei sicuro dei fatti, dovresti difendere la tua posizione”.

Combattere i pregiudizi e i pregiudizi

Dopo aver completato la sua tesi, Payne-Gaposchkin rimase all'osservatorio sotto Shapley, ma in una situazione anomala. Voleva continuare la ricerca astrofisica, ma poiché Shapley le pagava un (piccolo) stipendio come suo “assistente tecnico”, sentì di poterla dirigere come se fosse un computer di Harvard, e la mise al lavoro misurando la luminosità delle stelle – un progetto di routine che non la impegnava molto. Shapley le fece tenere anche corsi di specializzazione, ma senza il titolo di “istruttore”, tanto meno di “professore”, e senza che i suoi corsi fossero elencati nel catalogo. Nel tentativo di rimediare a questo, Shapley si rivolse al preside e al presidente di Harvard, l’abate Lawrence Lowell, ma loro rifiutarono categoricamente. Lowell disse a Shapley che la signorina Payne (come era conosciuta allora), "non avrebbe mai avuto un posto all'Università finché fosse vivo".

Pregiudizi di genere come questo hanno influenzato Payne-Gaposchkin in ogni fase della sua carriera. Il suo dottorato di ricerca (il primo in astronomia ad Harvard) tecnicamente non proveniva da Harvard. Shapley aveva chiesto al presidente del dipartimento di fisica di Harvard di approvare la tesi, ma come Shapley riferì a Payne-Gaposchkin, il presidente rifiutò di accettare una candidata donna. Invece, Shapley ha dovuto organizzare che il suo dottorato di ricerca venisse assegnato da Radcliffe, il college femminile di Harvard. Quando in seguito iniziò a costruire un vero e proprio dipartimento di astronomia ad Harvard, Shapley era convinto che Payne-Gaposchkin, il suo miglior ricercatore, fosse ben qualificato per fungere da primo presidente, ma si rese conto che Lowell non lo avrebbe mai permesso, e così portò in un astronomo maschio.

Dopo decenni di lavoro all'osservatorio, pubblicando libri e centinaia di articoli di ricerca e diventando un istruttore ricercato, Payne-Gaposchkin rimase in una sorta di carriera al tramonto: mal pagato e senza una vera posizione accademica. La situazione cambiò solo nel 1954, dopo che Shapley andò in pensione e Donald Menzel, lo studente premiato di Russell a Princeton, divenne direttore dell’osservatorio. Ha scoperto quanto poco veniva pagata Payne-Gaposchkin e ha raddoppiato il suo stipendio, quindi ha fatto qualcosa di veramente significativo. Con Lowell e il suo pregiudizio anti-donna ormai scomparsi (era andato in pensione nel 1933), Menzel riuscì a far nominare Payne-Gaposchkin professore ordinario di astronomia. Questa era una grande novità: il New York Times riferì il 21 giugno 1956 che "[Payne-Gaposchkin] è la prima donna a ottenere la cattedra di cattedra ad Harvard attraverso una regolare promozione presso i docenti". Pochi mesi dopo divenne presidente del dipartimento di astronomia, la prima donna a dirigere un dipartimento ad Harvard.

In retrospettiva, la carriera di Payne-Gaposchkin ha avuto un notevole successo con una tesi eccezionale, una ricerca prolifica, un insegnamento eccellente e un riconoscimento per i suoi “primati” ad Harvard e altri riconoscimenti. Insieme a tutto il suo lavoro accademico, ha trovato spazio per la sua vita personale. Sposò l'astronomo emigrato russo Sergei Gaposchkin nel 1934 e con lui crebbe tre figli mentre continuava la ricerca astronomica.

Guida eccezionale

In un certo senso, si potrebbe dire che “aveva tutto” nel combinare la scienza con la famiglia e i figli, ma arrivarci è stato inutilmente difficile ed estenuante a causa dei pregiudizi contro le donne. Divenne professore ordinario solo all'età di 56 anni, molto più tardi di quanto un uomo con risultati simili avrebbe raggiunto quello status, e dopo essere stata ignorata per l'avanzamento, il che deve aver avuto un tributo psicologico. Solo una persona dotata di eccezionale determinazione e tenacia, insieme ad abilità scientifiche, avrebbe potuto resistere fino al riconoscimento finale.

In definitiva, Cecilia Payne-Gaposchkin, morta nel 1979, fu una scienziata pioniera che svolse un lavoro straordinario durante tutta la sua carriera, ma non fu trattata professionalmente per la maggior parte del suo lavoro. La maggior parte degli Harvard Computers erano dipendenti, piuttosto che ricercatori o studenti laureati. Sebbene Shapley diede a Payne-Gaposchkin importanti opportunità e capì quanto fosse brava una scienziata, la trattò anche semplicemente come un altro computer di Harvard, assunto per sostenere i suoi piani per l'osservatorio. Ha fatto avanzare la posizione delle donne in astronomia oltre quella dei computer, ma ha comunque incontrato barriere che le hanno impedito di essere la scienziata completa che voleva essere, come le donne iniziarono a raggiungere solo più tardi nel 20° secolo. Il suo lavoro stellare è stato spesso trascurato e la sua eredità dimenticata, poiché è diventata una delle tante donne “nascoste” nella scienza che hanno effettivamente gettato le basi nei loro campi. È solo più recentemente che i contributi significativi di artisti come Payne-Gaposchkin sono stati inseriti nella storia della scienza, e lei dovrebbe essere ricordata come una figura chiave di transizione tra le vecchie e le nuove possibilità per le donne nella scienza.

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