セシリア・ペイン・ガポシュキン：星の中で水素を見つけた女性

最も単純な原子である水素は、宇宙の基本的な構成要素です。私たちは、それが宇宙誕生直後から存在し、星が形成される星間物質の大部分として今でも存在していることを知っています。また、恒星が化学元素を生成するために永続的に進化する際に、恒星が膨大な量のエネルギーを放射し続ける核燃料でもあります。

しかし、水素が宇宙の広範囲にわたる基本的な構成要素であることをどのようにして学んだのでしょうか?水素の宇宙的重要性が最初に理解されたのは、1925 年に星の中の水素を発見した若い博士課程の学生、セシリア・ペイン（結婚後はペイン＝ガポシュキン）だったことを知っている人はあまり多くありません。実際、彼女はまだ女性が博士号を取得することが非常に困難だった時代に博士号を取得し、論文のための画期的な研究を行った。彼女の物語は、科学の成功とは裏腹に、女性が科学的願望を果たすことを困難にし、女性のキャリア全体に影響を与えた障壁と性差別も明らかにしています。

若い科学者

セシリア・ペインは、1900 年にイギリスのウェンドーバーで生まれました。彼女の父親は彼女が 17 歳のときに亡くなりましたが、母親のエマは、セシリア・ペインには科学者になりたい才能のある子供がいることに気づきました。エマは娘を、科学を教えるための設備が整ったロンドンのセント・ポール女子学校に入学させました。 XNUMX歳の彼女はそこで成長し、ペイン＝ガポシュキンが後に自伝で書いたように 染物屋の手 （というタイトルで再掲載 セシリア・ペイン＝ガポシュキン：自伝とその他の回想)、彼女は「化学元素を崇拝する私自身のちょっとした礼拝」のために科学研究室にこっそり行ったものです。

彼女の高度な科学教育は、彼女が入学した 1919 年に始まりました。 ニューハム大学 ケンブリッジ大学 奨学金で。そこで彼女は、当時大学が女性に学位を授与していなかったにもかかわらず、初恋の植物学、そして物理学と化学を学びました。それにもかかわらず、量子力学と相対性理論の初期の領域を吸収した物理科学を研究するのに刺激的な時代でした。

ケンブリッジでは、アーネスト・ラザフォードのよ​​うな人たちが原子や亜原子の世界を探検し、アーサー・エディントンは星の構造と発達を研究していました。実際、ペイン＝ガポシュキンの物理学の講師はラザフォード自身だったが、彼のクラスの唯一の女性として、彼女は自分が屈辱を受けていることに気づいた。当時の大学の規定により、彼女は最前列に座らなければならなかった。彼女は自伝の中でこう述べている、「講義のたびに[ラザフォードは]私を鋭い目で見つめ、そしてステントロールのような声でこう始めた。」レディース そして紳士諸君。少年たちは皆、定期的にこの機知に富んだ発言を万雷の拍手で迎え、足を踏み鳴らしていました…講義のたびに、私は地に沈み込みたいと思いました。今でも私は本能的に講義室のできるだけ奥の方に陣取っています。」

代わりに、ペイン・ガポシュキンはエディントンでインスピレーションを見つけました。ほとんど偶然に、彼女はアインシュタインの一般相対性理論を確認した 1919 年の西アフリカへの遠征についての彼の講義に出席しました。これに彼女は非常に感銘を受け、植物学ではなく物理学と天文学を選択することに決めました。その後、彼女が偶然エディントンに会ったとき、彼女は自伝の中で次のように書いている。彼は彼女を恒星の構造に関する研究に従事させたが、ケンブリッジの後はイギリスでは女性天文学者にチャンスはないだろう、とも警告した。

新しい海岸

幸いなことに、ペイン・ガポシュキンが映画監督のハーロー・シャプリーに会ったとき、新たな可能性が生じた。 ハーバード大学展望台 英国訪問中のマサチューセッツ州ケンブリッジにて。彼は彼女の努力を奨励し、彼女は彼が天文学の大学院プログラムを設立していることを知りました。エディントンからの熱烈な推薦を受けて、シャプリーは彼女に研究員としてのささやかな奨学金を提供した。 1923 年に彼女はシャプレーの指導の下で博士号の取得に向けた研究を開始するために米国に渡った。

ハーバード大学天文台では女性が長い間研究に貢献してきました。 1870年代、シャプレーの前任者であるチャールズ・ピッカリングは、天文台が収集していたデータの保存を分析するために「ハーバード・コンピューター」（計算を行う人の本来の意味で）として知られる女性を雇用し始めた。女性は、細かい作業に男性よりも忍耐強く、男性よりも低い賃金を受け入れると考えられていたため、好まれました。一部のコンピューターは科学の知識がなくても雇われましたが、大学の学位を持ったコンピューターでも時給 25 ～ 50 セントの単純労働者と同様の賃金が支払われました (「」を参照)ガラス越しの宇宙を暗く」）から生じた、裁判所により認定され、または和解により合意されたすべての損失、損害、賠償金、費用と出費（合理的な弁護士費用および訴訟費用を含む）について、貴社を防御、免責し、貴社に損害を与えない。

ハーバードコンピュータは独立した研究者ではなく、割り当てられたプロジェクトのアシスタントでした。それにもかかわらず、これらの女性たちは初期の観測天文学に最も重要な貢献をしました。その中には、セファイド変光星の周期と光度の関係の発見で有名なヘンリエッタ・スワン・リービットや、星のスペクトルを整理したことで国際的に認められているアニー・ジャンプ・キャノンも含まれていました。

19 世紀半ば以来、各元素がスペクトル線の固有のパターンを生成し、さまざまな星のスペクトルが類似点と相違点の両方を示すことが知られていました。これは星をグループに分類できることを示唆していましたが、そうする最善の方法についてはほとんど合意がありませんでした。

1894 年、キャノンは天文台で収集された星のスペクトルを検査し、それらを有用な順序に並べるプロジェクトを開始しました。この気の遠くなるような仕事が彼女を何年も悩ませた。さまざまな星からのスペクトルはガラス写真乾板に記録され、各画像の長さは XNUMX インチ以下でした。キャノンは虫眼鏡を使って何十万ものスペクトルの詳細を読み取り、そのほとんどを B、A、F、G、K、M というラベルの付いた XNUMX つのグループに分類し、少数をグループ O に分類しました。 このシステムは、バルマー吸収線（水素原子のスペクトル線放射を表す）の強度と、K 星の金属などの特定の元素のスペクトルの特徴を反映しました。

スペクトル研究

しかし、キャノン氏は、スペクトルを引き起こす物理的メカニズムを調査したり、そこから定量的な情報を抽出したりしませんでした。ペイン・ガポシュキンは博士課程の研究で、ケンブリッジで学んだ物理学を利用して、このユニークなデータキャッシュを最新の理論で分析しました。スペクトル線の起源は、わずか 1913 年前の XNUMX 年にニールス・ボーアの水素原子に関する初期の量子理論によって確立されており、その後他の人によって拡張されました。これらの理論は中性原子に適用されました。ペイン・ガポシュキンの優れた洞察力は、星の熱い外側大気中で発生するような、励起またはイオン化した原子からのスペクトルが、同じ種の中性原子のスペクトルとは異なることを認識したことでした。

温度、熱い原子の量子状態、およびそれらのスペクトル線の間の関係は、1921 年にインドの物理学者メグナド・サハによって導かれました。各元素の量子エネルギー準位が分からなければ、自分のアイデアを完全にテストすることはできませんでしたが、ペイン＝ガポシュキンが研究を始めたときには、これらの準位は測定されていました。大規模な努力の中で、彼女は新しいデータをサハの理論と組み合わせて、温度の影響を含むキャノンの恒星のスペクトルを完全に解釈しました。重要な成果の 20,000 つは、星の温度とキャノンのカテゴリーとの相関関係であり、その結果は現在でも使用されています。たとえば、B 星は 3000 K で輝きますが、M 星はわずか 1925 K で輝きます。この結果は、ペイン・ガポシュキンの注目すべき XNUMX 年の論文の一部です。 恒星の大気、は好評を博しましたが、彼女の論文の別の結果はそうではありませんでした。

構成上の難題

ペイン・ガポシュキンは、星のスペクトルに見られる各元素の相対存在量を計算しました。そのうち、リチウムからバリウムまでの 15 個については、異なる星でも結果は同様であり、「地球の組成と顕著な類似性を示した」。これは、星は地球と同じ物質でできているという当時の天文学者たちの信念と一致しました。

しかしその後、大きな驚きが起こりました。彼女の分析では、水素が他の元素よりも100万倍豊富に存在することも示されました。一方、ヘリウムは千倍も豊富でした。太陽はほぼ完全に水素でできているという結論は、すぐに彼女の論文の評判の高い外部審査官との間でトラブルに見舞われた。これはプリンストン天文台の所長であり、地球と太陽が同じ組成を持っているという考えの強力な支持者であるヘンリー・ラッセルでした。ラッセルさんは、彼女の水素に関する結果を読むまで感銘を受けていました。それから彼はペイン・ガポシュキンに、「水素が金属の100万倍も豊富であるということは明らかに不可能であるから、この理論には何か間違いがあるに違いない」と書いた。

ラッセルの祝福がなければ論文は受理されなかったため、ペイン＝ガポシュキンはしなければならないと感じたことを実行した。彼女は論文の最終版で、「[水素とヘリウム]から得られる膨大な量は、ほぼ間違いなく現実ではない」と書いて、自分の研究のその部分を否認した。しかし、1929年にラッセルは、別の方法を使用して、水素を含む元素の恒星存在量の独自の導出を発表しました。彼はペイン・ガポシュキンの研究を引用し、大量の水素を含むすべての元素に関する彼の結果が彼女の結果と驚くほどよく一致していると指摘した。直接は述べなかったが、ラッセルの論文は、ペイン・ガポシュキンの分析全体が正しかったこと、そして彼女が太陽の大部分が水素でできていることを最初に発見したことを裏付けた。それにもかかわらず、彼は最初に彼女の論文でその結果を拒否したとは決して述べなかった。

おそらくラッセル氏は、受け入れられている考えに反する結果を発表することは彼女のキャリアを傷つける可能性があると若い科学者に警告するために、水素に関するコメントを提供したのかもしれない。おそらく、この新しい発見を天文学界に納得させることができたのは、ラッセルのような地位を持つ上級研究者だけだろう。実際、彼の後の論文は、天文学者に星が水素でできているということを受け入れるよう影響を与え、彼の発見の功績が認められるほどになりました。

セシリア・ペイン＝ガポシュキンの論文の力はそれ自体を物語っています。彼女の明晰な文体、主題の制御、そして先駆的な科学が光ります。

たとえ適切なクレジットがなくても、ペイン＝ガポシュキンの論文の力はそれ自体を物語っています。彼女の明晰な文体、主題の制御、そして先駆的な科学が光ります。シャプレーはこの作品を単行本として印刷し、600部売れ、論文としては事実上のベストセラーとなった。最高の賞賛はほぼ40年後、著名な天文学者オットー・シュトルーベが次のように呼びかけたときにもたらされました。 恒星の大気 「これまで天文学で書かれた中で最も素晴らしい博士論文」。

ペイン＝ガポシュキンがラッセルに対して何らかの悪意を持っていたとしても、彼女はそれを表向きには示さず、彼との個人的な関係を維持した。 1977年に彼（彼は1957年に死去）を讃えるシンポジウムに寄稿した彼の業績の評論の中で、彼女は自身の業績には言及せずに彼の1929年の論文を「画期的」と呼んだ。彼女が強く後悔したのは、自分の結果を支持しなかったことだ。娘のキャサリン・ハラムンダニスさんは、「彼女は生涯を通じてその決断を嘆いていた」と書いている。ペイン＝ガポシュキンは自伝の中で次のように書いています。自分が正しいと信じていたにもかかわらず、私は権威に屈してしまった…若者への警告としてここに記しておきます。自分の事実に確信があるなら、自分の立場を守るべきだ。」

偏見や偏見との戦い

ペイン＝ガポシュキンは論文を完成した後もシャプレーの下で天文台に留まったが、異常な状況に陥った。彼女は天体物理学の研究を続けたかったが、シャプレーは彼女に「技術助手」として（少額の）給料を支払っていたので、あたかもハーバード大学のコンピューターであるかのように彼女を指導できると感じ、彼女に星の明るさを測定する仕事をさせた。日常的なプロジェクトは彼女にとってあまり関与しませんでした。シャプレーは彼女に大学院コースも教えさせたが、「教授」はおろか「講師」という肩書もなく、カタログにも彼女のコースが掲載されることはなかった。これを改善しようとして、シャプリーは学部長とハーバード大学学長のローレンス・ローウェル修道院長に打診したが、彼らは断固として拒否した。ローウェルはシャプリーに対し、ペイン先生（当時は彼女として知られていた）は「生きている限り大学での地位は決してないだろう」と語った。

このようなジェンダー偏見は、ペイン＝ガポシュキンのキャリアのあらゆる段階で影響を及ぼしました。彼女の博士号 (ハーバード大学で天文学の最初の博士号) は、厳密に言えばハーバード大学出身ではありません。シャプレーはハーバード大学の物理学部長に博士論文の承認を求めたが、シャプレーがペイン＝ガポシュキンに伝えたところ、物理学部長は女性候補者の受け入れを拒否した。代わりに、シャプレーさんは博士号を授与されるよう手配しなければならなかった。 ラドクリフ、ハーバード大学の女子大学。その後、ハーバード大学に真の天文学部を設立し始めたとき、シャプリーは、自分の最高の研究者であるペイン・ガポシュキンがその初代学部長を務めるのに十分な資格があると確信していましたが、ローウェルがそれを決して許さないと悟り、彼は男性天文学者で。

天文台で何十年も働き、書籍や何百もの研究論文を出版し、人気の講師になった後も、ペイン＝ガポシュキンは薄給で本格的な学術的地位も得られず、一種のキャリアの黄昏に陥った。この状況が変わったのは、シャプリーが引退し、プリンストン大学でラッセルの賞を受賞した学生であるドナルド・メンゼルが天文台の所長になった後、1954 年になってからのことだった。彼はペイン＝ガポシュキンの給料がいかに少ないかを発見し、彼女の給料を1933倍にし、そして本当に重要なことを行いました。ローウェルと彼の反女性的偏見はとうに消え去っていたので（彼はXNUMX年に退職していた）、メンゼルはペイン＝ガポシュキンを天文学の正教授に任命することができた。これは大きなニュースでした。 ニューヨーク·タイムズ紙 は21年1956月XNUMX日、「[ペイン・ガポシュキン]は定期的な教員昇進によってハーバード大学で正教授の職に就いた最初の女性である」と報じた。数か月後、彼女はハーバード大学初の女性天文学部長に就任した。

振り返ってみると、ペイン＝ガポシュキンのキャリアは、優れた論文、多作な研究、優れた教育、そしてハーバード大学での「初」の功績やその他の栄誉によって、著しく成功を収めた。学業に加えて、彼女は私生活にも余裕を見つけました。彼女は 1934 年にロシアの亡命天文学者セルゲイ・ガポシュキンと結婚し、天文学の研究を続けながら彼とともに XNUMX 人の子供を育てました。

並外れたドライブ

ある意味、彼女は科学と家族や子供たちを結びつけることに「すべてを持っていた」と言えるかもしれないが、女性に対する偏見のせいで、そこに到達するのは不必要に困難で過酷だった。彼女が正教授になったのはわずか56歳で、同様の功績を残した男性がその地位に到達するのははるかに遅く、昇進を見送られた後だったが、これは精神的な負担となったに違いない。並外れた意欲と粘り強さ、そして科学的能力を備えた人だけが、最終的な認識まで耐えることができたでしょう。

結局のところ、1979 年に亡くなったセシリア・ペイン・ガポシュキンは、キャリアを通じて素晴らしい研究を行った先駆的な科学者でしたが、そのほとんどで専門的な扱いを受けませんでした。ハーバードコンピュータのほとんどは研究者や大学院生ではなく、従業員でした。シャプレーはペイン・ガポシュキンに重要な機会を与え、彼女がどれほど優れた科学者であるかを理解していましたが、一方で、彼女を単に自分自身の天文台計画をサポートするために雇われたハーバード大学のコンピューターとして扱っていました。彼女は天文学における女性の地位をコンピューターの地位を超えて前進させましたが、女性がなりたいと思っていた完璧な科学者になるのを阻む障壁は依然としてありました。女性がそれを達成し始めたのは 20 世紀後半になってからでした。彼女は実際にその分野の基礎を築いた科学界の多くの「隠れた」女性の一人となったため、彼女の優れた業績はしばしば無視され、彼女の功績は忘れ去られました。ペイン＝ガポシュキンのような人々の重要な貢献が科学史に後書きされるようになったのはつい最近のことであり、彼女は科学における女性の可能性の古いものと新しいものの間の重要な過渡期の人物として記憶されるべきです。

ポスト セシリア・ペイン・ガポシュキン：星の中で水素を見つけた女性 最初に登場した 物理学の世界.

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