Cecilia Payne-Gaposchkin: de vrouw die waterstof in de sterren vond

Waterstof, het eenvoudigste atoom, is een fundamentele bouwsteen van het universum. We weten dat het kort na de geboorte van het heelal bestond en dat het nog steeds voorkomt als een groot deel van het interstellaire medium waarin sterren worden gevormd. Het is ook de nucleaire brandstof die ervoor zorgt dat sterren enorme hoeveelheden energie uitstralen terwijl ze zich gedurende eonen ontwikkelen om de chemische elementen te creëren.

Maar hoe hebben we geleerd dat waterstof een wijdverbreid en fundamenteel onderdeel van het universum is? Niet genoeg mensen weten dat het kosmische belang van waterstof voor het eerst werd begrepen door een jonge promovendus, Cecilia Payne (Payne-Gaposchkin na haar huwelijk), die in 1925 waterstof in de sterren ontdekte. Ze promoveerde namelijk in een tijd dat het voor vrouwen nog heel moeilijk was om dat te doen, en deed baanbrekend onderzoek voor haar proefschrift. Ondanks al het succes van haar wetenschap, toont haar verhaal ook de barrières en het seksisme aan die het voor vrouwen moeilijk maakten om hun wetenschappelijke ambities te vervullen, en die hun hele loopbaan beïnvloedden.

jonge wetenschapper

Cecilia Payne werd geboren in Wendover, Engeland, in 1900. Haar vader stierf toen ze vier was, maar haar moeder Emma zag dat ze een begaafd kind had dat wetenschapper wilde worden. Emma schreef haar dochter in bij St Paul's School for Girls in Londen, die goed uitgerust was om wetenschap te doceren. De 17-jarige floreerde daar en, zoals Payne-Gaposchkin later schreef in haar autobiografie De hand van de verver (heruitgegeven onder de titel Cecilia Payne-Gaposchkin: een autobiografie en andere herinneringen), zou ze naar het wetenschappelijk laboratorium sluipen voor "een kleine eigen eredienst, de chemische elementen aanbiddend".

Haar geavanceerde wetenschappelijke opleiding begon in 1919 toen ze binnenkwam Newnham College de University of Cambridge op een beurs. Daar studeerde ze botanie, haar eerste liefde, maar ook natuurkunde en scheikunde - ondanks het feit dat de universiteit destijds geen diploma's aan vrouwen aanbood. Desalniettemin was het een opwindende tijd om natuurwetenschap te studeren, omdat het de ontluikende gebieden van kwantummechanica en relativiteit in zich opnam.

In Cambridge verkenden mensen als Ernest Rutherford de atomaire en subatomaire werelden, en Arthur Eddington bestudeerde de structuur en ontwikkeling van sterren. De natuurkundeleraar van Payne-Gaposchkin was Rutherford zelf, maar als enige vrouw in zijn klas werd ze vernederd. De toenmalige universitaire voorschriften vereisten dat ze op de eerste rij zat. Zoals ze in haar autobiografie vertelt: "Bij elke lezing staarde [Rutherford] me scherp aan... en begon hij met zijn stentoriaanse stem: 'Dames en heren.' Alle jongens begroetten deze geestigheid regelmatig met een daverend applaus [en] stampend met hun voeten... bij elke lezing wenste ik dat ik in de aarde kon zinken. Tot op de dag van vandaag neem ik instinctief mijn plaats zo ver mogelijk terug in een collegezaal.”

In plaats daarvan vond Payne-Gaposchkin inspiratie in Eddington. Bijna bij toeval woonde ze zijn lezing bij over zijn expeditie in 1919 naar West-Afrika, die Einsteins algemene relativiteitstheorie bevestigde. Dit maakte zo'n indruk op haar dat ze besloot natuurkunde en astronomie te verkiezen boven botanie. Toen ze later toevallig Eddington ontmoette, zoals ze in haar autobiografie schrijft: 'Ik flapte eruit dat ik astronoom zou willen worden... hij gaf het antwoord dat me door vele afwijzingen heen zou steunen: 'Ik zie geen onoverkomelijk bezwaar.' Hij betrok haar bij zijn werk aan stellaire structuren, maar hij waarschuwde haar ook dat er na Cambridge waarschijnlijk geen kansen zouden zijn voor een vrouwelijke astronoom in Engeland.

nieuwe kusten

Gelukkig deed zich een nieuwe mogelijkheid voor toen Payne-Gaposchkin Harlow Shapley ontmoette, directeur van de Observatorium van het Harvard College in Cambridge, Massachusetts, tijdens zijn bezoek aan het VK. Hij moedigde haar inspanningen aan en ze hoorde dat hij bezig was met een graduaatsopleiding in de astronomie. Met een gloeiende aanbeveling van Eddington bood Shapley haar een bescheiden toelage aan als onderzoeker. In 1923 zeilde ze naar de VS om te beginnen met werken aan een doctoraat onder Shapley's leiding.

Vrouwen hadden lange tijd bijgedragen aan onderzoek aan het Harvard Observatory. In de jaren 1870 was Shapley's voorganger als directeur, Charles Pickering, begonnen met het inhuren van vrouwen die bekend staan ​​als de 'Harvard Computers' (in de oorspronkelijke betekenis van iemand die berekeningen doet) om de gegevensopslag te analyseren die het observatorium verzamelde. Vrouwen kregen de voorkeur omdat men dacht dat ze geduldiger waren dan mannen voor werk met fijne details, en ze accepteerden lagere lonen dan mannen. Sommige computers werden ingehuurd zonder een wetenschappelijke achtergrond, maar zelfs die met een universitaire opleiding werden als ongeschoolde arbeiders betaald tegen 25-50 cent per uur (zie "Het universum door een donker glas").

De Harvard Computers waren geen onafhankelijke onderzoekers, maar assistenten met toegewezen projecten. Desalniettemin hebben deze vrouwen enkele van de belangrijkste bijdragen geleverd aan de vroege waarnemingsastronomie. Ze waren onder meer Henrietta Swan Leavitt - beroemd om haar ontdekking van de periode-helderheidsrelatie van Cepheïden-variabelen - en Annie Jump Cannon, die internationaal werd erkend voor het organiseren van stellaire spectra.

Het was al sinds het midden van de 19e eeuw bekend dat elk element een uniek patroon van spectraallijnen produceert en dat de spectra van verschillende sterren zowel overeenkomsten als verschillen vertoonden. Dit suggereerde dat sterren in groepen konden worden ingedeeld, maar er was weinig overeenstemming over de beste manier om dit te doen.

In 1894 begon Cannon het project om de stellaire spectra die in het observatorium waren verzameld, te onderzoeken en in een bruikbare volgorde te plaatsen. Deze ontmoedigende taak hield haar jarenlang bezig. Spectra van verschillende sterren werden vastgelegd op glazen fotografische platen, waarbij elk beeld niet meer dan XNUMX cm lang was. Met een vergrootglas las Cannon de details van honderdduizenden spectra en sorteerde de meeste ervan in zes groepen met de labels B, A, F, G, K en M, met een minderheid in groep O. Het systeem was gebaseerd op de sterkte van de Balmer-absorptielijnen (die de spectraallijnemissies van het waterstofatoom beschrijven) en weerspiegelden de spectrale handtekeningen van bepaalde elementen, zoals metalen in K-sterren.

Spectrale studies

Cannon heeft echter niet de fysieke mechanismen onderzocht die de spectra veroorzaakten, noch heeft ze er kwantitatieve informatie uit gehaald. In haar promotieonderzoek putte Payne-Gaposchkin uit de natuurkunde die ze in Cambridge had geleerd om deze unieke cache van gegevens te analyseren met de nieuwste theorieën. De oorsprong van spectraallijnen was slechts tien jaar eerder in 1913 vastgesteld door Niels Bohr's vroege kwantumtheorie van het waterstofatoom, later uitgebreid door anderen. Deze theorieën waren van toepassing op neutrale atomen. Het grote inzicht van Payne-Gaposchkin was dat hij besefte dat spectra van aangeslagen of geïoniseerde atomen - zoals zou voorkomen in de hete buitenatmosfeer van een ster - verschilden van die van neutrale atomen van dezelfde soort.

De relatie tussen temperatuur, de kwantumtoestanden van hete atomen en hun spectraallijnen was in 1921 afgeleid door de Indiase natuurkundige Meghnad Saha. Hij kon zijn ideeën niet volledig testen zonder de kwantumenergieniveaus voor elk element te kennen, maar deze werden gemeten toen Payne-Gaposchkin haar onderzoek begon. In een enorme inspanning combineerde ze de nieuwe gegevens met Saha's theorie om de stellaire spectra van Cannon, inclusief temperatuureffecten, volledig te interpreteren. Een significant resultaat was de correlatie van stellaire temperaturen met de categorieën van Cannon, met resultaten die vandaag nog steeds worden gebruikt: bijvoorbeeld B-sterren gloeien bij 20,000 K, terwijl M-sterren gloeien bij slechts 3000 K. Dit resultaat, onderdeel van Payne-Gaposchkin's opmerkelijke proefschrift uit 1925 Stellaire sferen, werd goed ontvangen maar een ander resultaat in haar scriptie niet.

Compositorische raadsels

Payne-Gaposchkin berekende de relatieve abundantie van elk element dat in de stellaire spectra wordt gezien. Voor 15 van hen, van lithium tot barium, waren de resultaten vergelijkbaar voor verschillende sterren en "toonden een opvallende parallel met de samenstelling van de aarde". Dit kwam overeen met het geloof van astronomen in die tijd dat de sterren van hetzelfde materiaal waren gemaakt als de aarde.

Maar toen kwam er een grote verrassing: uit haar analyse bleek ook dat waterstof een miljoen keer overvloediger was dan de andere elementen. Helium was ondertussen duizend keer overvloediger. De conclusie dat de zon bijna volledig uit waterstof bestond, kwam meteen in de problemen met een gerespecteerde externe onderzoeker van haar proefschrift. Dit was Henry Russell, directeur van het Princeton Observatorium en een groot voorstander van het idee dat de aarde en de zon dezelfde samenstelling hadden. Russell was onder de indruk totdat hij haar resultaat voor waterstof las. Vervolgens schreef hij aan Payne-Gaposchkin dat er iets mis moet zijn met de theorie, want "het is duidelijk onmogelijk dat waterstof een miljoen keer overvloediger is dan de metalen."

Zonder Russells zegen zou de scriptie niet worden geaccepteerd en dus deed Payne-Gaposchkin wat ze voelde dat ze moest doen. In de definitieve versie van haar proefschrift verloochende ze dat deel van haar werk door te schrijven: "De enorme overvloed afgeleid voor [waterstof en helium] is vrijwel zeker niet echt." Maar in 1929 publiceerde Russell zijn eigen afleiding van de stellaire overvloed van de elementen, waaronder waterstof, met behulp van een andere methode. Hij citeerde het werk van Payne-Gaposchkin en merkte op dat zijn resultaten voor alle elementen, inclusief de grote hoeveelheid waterstof, opmerkelijk goed overeenkwamen met die van haar. Zonder dat direct te zeggen, bevestigde Russells artikel dat de hele analyse van Payne-Gaposchkin correct was en dat zij de eerste was die ontdekte dat de zon voor het grootste deel uit waterstof bestaat. Desondanks heeft hij nooit verklaard dat hij dat resultaat in haar scriptie oorspronkelijk had verworpen.

Het kan zijn dat Russell zijn opmerking over waterstof aanbood om een ​​jonge wetenschapper te waarschuwen dat het presenteren van resultaten die in strijd zijn met geaccepteerde ideeën haar carrière zou kunnen schaden. Waarschijnlijk had alleen een senior onderzoeker van Russells statuur de astronomische gemeenschap van deze nieuwe vondst kunnen overtuigen. Zijn latere artikel heeft astronomen ertoe aangezet om te accepteren dat sterren van waterstof zijn gemaakt, tot het punt dat hem de ontdekking werd toegeschreven.

De kracht van Cecilia Payne-Gaposchkin's stelling spreekt voor zich. Haar heldere schrijfstijl, beheersing van het onderwerp en baanbrekende wetenschap schijnen door

Zelfs zonder de juiste vermelding spreekt de kracht van de stelling van Payne-Gaposchkin voor zich. Haar heldere schrijfstijl, beheersing van het onderwerp en baanbrekende wetenschap schijnen door. Shapley liet het werk drukken als monografie en er werden 600 exemplaren van verkocht - de vrijwel bestsellerstatus voor een proefschrift. De hoogste lof kwam bijna 40 jaar later, toen de vooraanstaande astronoom Otto Struve belde Stellaire sferen "het meest briljante proefschrift ooit geschreven in de astronomie".

Als Payne-Gaposchkin enige kwade wil jegens Russell had, gaf ze daar geen uiterlijk teken van en onderhield ze een persoonlijke relatie met hem. In een recensie van zijn werk dat ze bijdroeg aan een symposium uit 1977 ter ere van hem (hij stierf in 1957), noemde ze zijn paper uit 1929 'tijdperk' zonder naar haar eigen werk te verwijzen. Wat ze wel heel erg betreurde, was dat ze niet achter haar resultaat had gestaan. Haar dochter Katherine Haramundanis schreef dat "ze gedurende haar leven over die beslissing heeft geklaagd". In haar autobiografie schreef Payne-Gaposchkin: "Het was mijn schuld dat ik mijn punt niet had benadrukt. Ik had toegegeven aan Autoriteit toen ik dacht dat ik gelijk had... Ik noteer het hier als een waarschuwing voor de jongeren. Als je zeker bent van je feiten, moet je je standpunt verdedigen.”

Vooroordelen en vooroordelen bestrijden

Na het afronden van haar scriptie bleef Payne-Gaposchkin op het observatorium onder Shapley, maar in een abnormale situatie. Ze wilde doorgaan met astrofysisch onderzoek, maar omdat Shapley haar een (klein) salaris betaalde als zijn 'technisch assistent', voelde hij dat hij haar kon leiden alsof ze een Harvard-computer was, en hij zette haar aan het werk om de helderheid van sterren te meten - een routineproject dat haar niet veel interesseerde. Shapley liet haar ook postdoctorale cursussen geven, maar zonder de titel van 'instructeur', laat staan ​​'professor', en zonder dat haar cursussen in de catalogus werden vermeld. In een poging om dit te verhelpen, benaderde Shapley de decaan en de president van Harvard, abt Lawrence Lowell, maar zij weigerden onvermurwbaar. Lowell vertelde Shapley dat Miss Payne (zoals ze toen heette), "zolang hij nog leefde nooit een functie op de universiteit zou hebben".

Dit soort gendervooroordelen trof Payne-Gaposchkin in elke fase van haar carrière. Haar doctoraat (de eerste in de astronomie aan Harvard) was technisch gezien niet van Harvard. Shapley had de voorzitter van de afdeling natuurkunde van Harvard gevraagd om het proefschrift te ondertekenen, maar toen Shapley het aan Payne-Gaposchkin doorgaf, weigerde de voorzitter een vrouwelijke kandidaat te accepteren. In plaats daarvan moest Shapley ervoor zorgen dat haar doctoraat werd toegekend door Radcliffe, het vrouwencollege aan Harvard. Toen hij later begon met het opzetten van een echte afdeling astronomie aan Harvard, was Shapley ervan overtuigd dat Payne-Gaposchkin, zijn beste onderzoeker, goed gekwalificeerd was om als eerste leerstoel te dienen - maar hij realiseerde zich dat Lowell dit nooit zou toestaan, en dus bracht hij bij een mannelijke astronoom.

Na tientallen jaren van werken bij het observatorium, het publiceren van boeken en honderden onderzoekspapers en het worden van een veelgevraagd instructeur, bleef Payne-Gaposchkin in een soort carrièreschemering - slecht betaald en zonder een echte academische positie. Dit veranderde pas in 1954, nadat Shapley met pensioen ging en Donald Menzel, Russell's prijsstudent aan Princeton, directeur van het observatorium werd. Hij ontdekte hoe weinig Payne-Gaposchkin werd betaald en verdubbelde haar salaris, en deed toen iets heel belangrijks. Nu Lowell en zijn anti-vrouwenvooroordeel allang verdwenen waren (hij was in 1933 met pensioen gegaan), slaagde Menzel erin Payne-Gaposchkin tot hoogleraar astronomie te krijgen. Dit was groot nieuws: de New York Times meldde op 21 juni 1956 dat "[Payne-Gaposchkin] de eerste vrouwen zijn die het hoogleraarschap aan Harvard bereiken door middel van regelmatige promotie van de faculteit." Een paar maanden later werd ze voorzitter van de afdeling astronomie, de eerste vrouw die een afdeling aan Harvard leidde.

Achteraf bezien was de carrière van Payne-Gaposchkin bij uitstek succesvol met een uitstekende dissertatie, productief onderzoek, uitstekend onderwijs en onderscheiding voor haar "primeurs" aan Harvard en andere onderscheidingen. Naast al haar academische werk vond ze ruimte voor haar persoonlijke leven. Ze trouwde in 1934 met de Russische emigrant-astronoom Sergei Gaposchkin en voedde met hem drie kinderen op terwijl ze astronomisch onderzoek voortzette.

Uitzonderlijke drive

In zekere zin zou je kunnen zeggen dat ze "alles had" in het combineren van wetenschap met familie en kinderen, maar om daar te komen was onnodig moeilijk en afmattend vanwege vooroordelen tegen vrouwen. Ze werd pas op 56-jarige leeftijd gewoon hoogleraar, veel later dan een man met vergelijkbare prestaties die status zou hebben bereikt, en nadat ze was gepasseerd voor promotie, wat een psychologische tol moet hebben geëist. Alleen iemand met een uitzonderlijke drive en volharding, samen met wetenschappelijke bekwaamheid, had kunnen volharden tot de definitieve erkenning.

Uiteindelijk was Cecilia Payne-Gaposchkin, die in 1979 stierf, een baanbrekende wetenschapper die gedurende haar hele carrière geweldig werk heeft verricht, maar voor het grootste deel niet professioneel is behandeld. De meeste Harvard-computers waren werknemers, in plaats van onderzoekers of afgestudeerde studenten. Hoewel Shapley Payne-Gaposchkin belangrijke kansen gaf en begreep hoe goed een wetenschapper ze was, behandelde hij haar ook slechts als een andere Harvard-computer, ingehuurd om zijn eigen plannen voor het observatorium te ondersteunen. Ze bracht de positie van vrouwen in de astronomie verder dan die van de computers, maar ze kwam nog steeds barrières tegen die haar ervan weerhielden de volledige wetenschapper te zijn die ze wilde zijn, zoals vrouwen pas later in de 20e eeuw begonnen te bereiken. Haar geweldige werk werd vaak over het hoofd gezien en haar nalatenschap werd vergeten, toen ze een van de vele 'verborgen' vrouwen in de wetenschap werd die de basis legden in hun vakgebied. Het is pas recenter dat de belangrijke bijdragen van mensen als Payne-Gaposchkin in de geschiedenis van de wetenschap worden nageschreven, en ze moet worden herinnerd als een belangrijke overgangsfiguur tussen oudere en nieuwere mogelijkheden voor vrouwen in de wetenschap.

De post Cecilia Payne-Gaposchkin: de vrouw die waterstof in de sterren vond verscheen eerst op Natuurkunde wereld.

• Coinsmart. Europa's beste Bitcoin- en crypto-uitwisseling.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligentie. Kennis versterkt. GRATIS TOEGANG.
• CryptoHawk. Altcoin-radar. Gratis proefversie.
• Bron: https://physicsworld.com/a/cecilia-payne-gaposchkin-the-woman-who-found-hydrogen-in-the-stars/