Cecilia Payne-Gaposchkin: kvinnen som fant hydrogen i stjernene

Hydrogen, det enkleste atomet, er en grunnleggende byggestein i universet. Vi vet at det eksisterte like etter at universet ble født, og at det fortsatt fremstår som en stor del av det interstellare mediet der stjerner dannes. Det er også kjernebrenselet som får stjerner til å utstråle enorme mengder energi mens de utvikler seg over evigheter for å lage de kjemiske elementene.

Men hvordan lærte vi at hydrogen er en utbredt og grunnleggende komponent i universet? Ikke nok folk vet at den kosmiske betydningen av hydrogen først ble skjønt av en ung doktorgradsstudent, Cecilia Payne (Payne-Gaposchkin etter at hun giftet seg), som i 1925 oppdaget hydrogen i stjernene. Faktisk tok hun en doktorgrad på en tid da det fortsatt var ekstremt vanskelig for kvinner å gjøre det, og gjorde banebrytende forskning for avhandlingen sin. Til tross for suksessen til vitenskapen hennes, viser historien hennes også barrierene og sexismen som gjorde det vanskelig for kvinner å oppfylle sine vitenskapelige ambisjoner, og påvirket karrieren deres hele veien.

Ung vitenskapsmann

Cecilia Payne ble født i Wendover, England, i 1900. Faren døde da hun var fire, men moren Emma så at hun hadde et begavet barn som ønsket å bli vitenskapsmann. Emma meldte inn datteren sin på St Paul's School for Girls i London, som var godt rustet til å undervise i naturfag. 17-åringen trivdes der, og som Payne-Gaposchkin senere skrev i sin selvbiografi Farverens hånd (utgitt på nytt under tittelen Cecilia Payne-Gaposchkin: En selvbiografi og andre erindringer), ville hun stjele opp til vitenskapslaboratoriet for "en liten gudstjeneste for min egen, forgudet de kjemiske elementene".

Hennes avanserte naturvitenskapelige utdanning begynte i 1919 da hun kom inn Newnham College på University of Cambridge på et stipend. Der studerte hun botanikk, hennes første kjærlighet, samt fysikk og kjemi - til tross for at universitetet på den tiden ikke tilbød grader til kvinner. Likevel var det en spennende tid å studere fysisk vitenskap da den absorberte de begynnende områdene kvantemekanikk og relativitet.

På Cambridge utforsket slike som Ernest Rutherford atom- og subatomære verdener, og Arthur Eddington studerte strukturen og utviklingen av stjerner. Faktisk var Payne-Gaposchkins fysikkinstruktør Rutherford selv, men som den eneste kvinnen i klassen hans ble hun ydmyket. Universitetsreglementet den gang krevde at hun satt på første rad. Som hun forteller i sin selvbiografi, "Ved hver forelesning ville [Rutherford] stirre på meg ... og begynte med hans stentoriske stemme: 'Damer and gentlemen.’ Alle guttene hilste regelmessig denne vittigheten med dundrende applaus [og] stamping med føttene … ved hver forelesning ønsket jeg at jeg kunne synke ned i jorden. Til i dag tar jeg instinktivt min plass så langt tilbake som mulig i et forelesningsrom.»

I stedet fant Payne-Gaposchkin inspirasjon i Eddington. Nesten ved en tilfeldighet deltok hun på foredraget hans om hans ekspedisjon til Vest-Afrika i 1919 som bekreftet Einsteins teori om generell relativitet. Dette imponerte henne så mye at hun bestemte seg for å velge fysikk og astronomi fremfor botanikk. Da hun senere tilfeldigvis møtte Eddington, som hun skriver i sin selvbiografi, "slot jeg ut at jeg kunne tenke meg å bli astronom ... han svarte som skulle støtte meg gjennom mange avvisninger: 'Jeg kan ikke se noen uoverkommelige innvendinger." Han engasjerte henne i arbeidet med stjernestrukturer, men han advarte henne også om at etter Cambridge ville det sannsynligvis ikke være noen muligheter for en kvinnelig astronom i England.

Nye kyster

Heldigvis oppsto en ny mulighet da Payne-Gaposchkin møtte Harlow Shapley, direktør for Harvard College Observatory i Cambridge, Massachusetts, under sitt besøk i Storbritannia. Han oppmuntret hennes innsats, og hun fikk vite at han satte i gang et masterprogram i astronomi. Med en strålende anbefaling fra Eddington tilbød Shapley henne et beskjedent stipend som stipendiat. I 1923 seilte hun til USA for å begynne arbeidet med en doktorgrad under Shapleys ledelse.

Kvinner hadde lenge bidratt til forskning ved Harvard Observatory. På 1870-tallet hadde Shapleys forgjenger som direktør, Charles Pickering, begynt å ansette kvinner kjent som "Harvard Computers" (i den opprinnelige betydningen av en person som gjør beregninger) for å analysere lagrene av data observatoriet samlet inn. Kvinner ble foretrukket fordi de ble antatt å være mer tålmodige enn menn for arbeid med fine detaljer, og de aksepterte lavere lønn enn menn. Noen av datamaskinene ble ansatt uten vitenskapsbakgrunn, men selv de med høyskolegrader ble betalt som ufaglærte arbeidere med 25–50 cent i timen (se "Universet gjennom et glass mørkt").

Harvard Computers var ikke uavhengige forskere, men assistenter med tildelte prosjekter. Ikke desto mindre ga disse kvinnene noen av de viktigste bidragene til tidlig observasjonsastronomi. De inkluderte Henrietta Swan Leavitt - kjent for sin oppdagelse av periode-lysstyrkeforholdet til Cepheid-variabler - og Annie Jump Cannon, som ble internasjonalt anerkjent for å organisere stjernespektre.

Det hadde vært kjent siden midten av 19-tallet at hvert element produserer et unikt mønster av spektrallinjer, og at spektrene til forskjellige stjerner viste både likheter og forskjeller. Dette antydet at stjerner kunne klassifiseres i grupper, men det var liten enighet om hvordan det best skulle gjøres.

I 1894 startet Cannon prosjektet med å undersøke stjernespektrene samlet ved observatoriet og sette dem i en nyttig rekkefølge. Denne skremmende oppgaven opptok henne i årevis. Spektre fra forskjellige stjerner ble registrert på fotografiske glassplater, med hvert bilde ikke mer enn en tomme langt. Med et forstørrelsesglass leste Cannon detaljene til hundretusenvis av spektre og sorterte de fleste av dem i seks grupper merket B, A, F, G, K og M, med en minoritet plassert i gruppe O. Systemet var basert på styrken til Balmer-absorpsjonslinjene (som beskriver spektrallinjeutslippene til hydrogenatomet) og reflekterte de spektrale signaturene til bestemte grunnstoffer, for eksempel metaller i K-stjerner.

Spektralstudier

Cannon undersøkte imidlertid ikke de fysiske mekanismene som forårsaket spektrene, og hun hentet heller ikke ut kvantitativ informasjon fra dem. I sitt doktorgradsarbeid trakk Payne-Gaposchkin på fysikken hun hadde lært ved Cambridge for å analysere denne unike cachen av data med de nyeste teoriene. Opprinnelsen til spektrallinjer ble etablert bare et tiår tidligere i 1913 av Niels Bohrs tidlige kvanteteori om hydrogenatomet, senere utvidet av andre. Disse teoriene gjaldt nøytrale atomer. Payne-Gaposchkins store innsikt var å forstå at spektra fra eksiterte eller ioniserte atomer – slik som ville oppstå i den varme ytre atmosfæren til en stjerne – skilte seg fra spektrene til nøytrale atomer av samme art.

Forholdet mellom temperatur, kvantetilstandene til varme atomer og deres spektrallinjer ble utledet i 1921 av den indiske fysikeren Meghnad Saha. Han kunne ikke teste ideene sine fullt ut uten å vite kvanteenerginivåene for hvert element, men disse ble målt da Payne-Gaposchkin begynte sin forskning. I en massiv innsats kombinerte hun de nye dataene med Sahas teori for å fullstendig tolke Cannons stjernespektre inkludert temperatureffekter. Et viktig resultat var korrelasjonen mellom stjernetemperaturer og Cannons kategorier, med resultater som fortsatt brukes i dag: for eksempel lyser B-stjerner ved 20,000 3000 K, mens M-stjerner lyser ved bare 1925 K. Dette resultatet er en del av Payne-Gaposchkins bemerkelsesverdige avhandling fra XNUMX Stjerneatmosfærer, ble godt mottatt, men et annet resultat i oppgaven ble det ikke.

Komposisjonelle gåter

Payne-Gaposchkin beregnet den relative overfloden av hvert element sett i stjernespektrene. For 15 av dem, fra litium til barium, var resultatene like for forskjellige stjerner og "viste en slående parallell med jordens sammensetning". Dette stemte overens med troen blant astronomer på den tiden, at stjernene var laget av det samme som jorden.

Men så kom en stor overraskelse: Analysen hennes viste også at hydrogen var en million ganger mer rikelig enn de andre grunnstoffene. Helium var i mellomtiden tusen ganger mer rikelig. Konklusjonen om at solen nesten utelukkende var laget av hydrogen, fikk umiddelbart problemer med en respektert ekstern sensor av avhandlingen hennes. Dette var Henry Russell, direktør for Princeton Observatory og en sterk talsmann for ideen om at Jorden og Solen hadde samme sammensetning. Russell var imponert til han leste resultatet hennes for hydrogen. Så skrev han til Payne-Gaposchkin at det må være noe galt med teorien fordi "Det er helt klart umulig at hydrogen skal være en million ganger mer rikelig enn metallene."

Uten Russells velsignelse ville ikke avhandlingen bli akseptert, og derfor gjorde Payne-Gaposchkin det hun følte hun måtte gjøre. I den endelige versjonen av oppgaven sin fornektet hun den delen av arbeidet hennes ved å skrive "Den enorme overfloden av [hydrogen og helium] er nesten helt sikkert ikke ekte." Men i 1929 publiserte Russell sin egen utledning av den stjernerike overfloden av grunnstoffene inkludert hydrogen, ved å bruke en annen metode. Han siterte Payne-Gaposchkins arbeid og bemerket at resultatene hans for alle elementene inkludert den store overfloden av hydrogen stemte bemerkelsesverdig godt overens med hennes. Uten å si det direkte, bekreftet Russells papir at hele Payne-Gaposchkins analyse var riktig, og at hun var den første som oppdaget at solen for det meste er laget av hydrogen. Til tross for det uttalte han aldri at han opprinnelig hadde avvist dette resultatet i oppgaven hennes.

Det kan være at Russell ga sin kommentar om hydrogen for å advare en ung vitenskapsmann om at å presentere resultater i strid med aksepterte ideer kan skade karrieren hennes. Sannsynligvis bare en seniorforsker av Russells størrelse kunne ha overbevist det astronomiske samfunnet om dette nye funnet. Faktisk påvirket hans senere artikkel astronomer til å akseptere at stjerner er laget av hydrogen til det punktet at han ble kreditert med oppdagelsen.

Kraften i Cecilia Payne-Gaposchkins avhandling taler for seg selv. Hennes klare skrivestil, beherskelse av faget og banebrytende vitenskap skinner gjennom

Selv uten ordentlig kreditt, taler kraften i Payne-Gaposchkins avhandling for seg selv. Hennes klare skrivestil, beherskelse av faget og banebrytende vitenskap skinner gjennom. Shapley fikk verket trykt som en monografi, og det solgte 600 eksemplarer – praktisk talt bestselgerstatus for en avhandling. Den høyeste ros kom nesten 40 år senere, da den anerkjente astronomen Otto Struve ringte Stjerneatmosfærer "den mest strålende doktorgradsavhandlingen som noen gang er skrevet innen astronomi".

Hvis Payne-Gaposchkin hadde noen dårlig vilje mot Russell, ga hun ingen ytre tegn på det og opprettholdt et personlig forhold til ham. I en anmeldelse av arbeidet hans som hun bidro til et symposium fra 1977 som hedret ham (han døde i 1957), kalte hun papiret fra 1929 "epokegjørende" uten å referere til sitt eget arbeid. Det hun angret sterkt på var at hun ikke hadde stilt seg bak resultatet. Datteren hennes Katherine Haramundanis skrev at "gjennom livet beklaget hun den avgjørelsen". I sin selvbiografi skrev Payne-Gaposchkin "Jeg var skyld i at jeg ikke hadde trykket på poenget mitt. Jeg hadde gitt etter for Authority da jeg trodde jeg hadde rett ... jeg noterer det her som en advarsel til de unge. Hvis du er sikker på fakta, bør du forsvare din posisjon.»

Kjemp mot skjevheter og fordommer

Etter å ha fullført oppgaven, ble Payne-Gaposchkin på observatoriet under Shapley, men i en unormal situasjon. Hun ønsket å fortsette astrofysisk forskning, men fordi Shapley betalte henne en (liten) lønn som sin "tekniske assistent", følte han at han kunne dirigere henne som om hun var en Harvard-datamaskin, og han satte henne i arbeid med å måle lysstyrken til stjerner - en rutineprosjekt som ikke engasjerte henne mye. Shapley lot henne også undervise i graduate-kurs, men uten tittelen "instruktør", enn si "professor", og uten å ha kursene hennes oppført i katalogen. I et forsøk på å bøte på dette, henvendte Shapley seg til dekanen og Harvards president abbed Lawrence Lowell, men de nektet på det sterkeste. Lowell fortalte Shapley at frøken Payne (som hun ble kjent da), "aldri ville ha en stilling ved universitetet så lenge han var i live".

Kjønnsskjevhet som dette påvirket Payne-Gaposchkin på alle stadier av karrieren hennes. Doktorgraden hennes (den første i astronomi ved Harvard) var teknisk sett ikke fra Harvard. Shapley hadde bedt lederen for Harvards fysikkavdeling om å skrive under på avhandlingen, men da Shapley formidlet til Payne-Gaposchkin, nektet lederen å godta en kvinnelig kandidat. I stedet måtte Shapley sørge for at doktorgraden hennes ble tildelt av Radcliffe, kvinnehøgskolen ved Harvard. Da han senere begynte å bygge en ekte avdeling for astronomi ved Harvard, var Shapley overbevist om at Payne-Gaposchkin, hans beste forsker, var godt kvalifisert til å tjene som dens første leder - men han innså at Lowell aldri ville tillate det, og derfor brakte han hos en mannlig astronom.

Etter flere tiår med arbeid ved observatoriet, publisering av bøker og hundrevis av forskningsartikler og blitt en ettertraktet instruktør, forble Payne-Gaposchkin i en slags karriere-skumring – dårlig betalt og uten en reell akademisk stilling. Dette endret seg først i 1954, etter at Shapley trakk seg og Donald Menzel, Russells prisstudent ved Princeton, ble direktør for observatoriet. Han oppdaget hvor lite Payne-Gaposchkin ble betalt og doblet lønnen hennes, og gjorde så noe virkelig betydelig. Med Lowell og hans anti-kvinne-skjevhet for lengst borte (han hadde trukket seg tilbake i 1933), var Menzel i stand til å få Payne-Gaposchkin utnevnt til full professor i astronomi. Dette var store nyheter: New York Times rapporterte 21. juni 1956 at "[Payne-Gaposchkin] er de første kvinnene som oppnår full professorat ved Harvard gjennom regelmessig fakultetsopprykk." Noen måneder senere ble hun leder av astronomiavdelingen, den første kvinnen som ledet en avdeling ved Harvard.

I ettertid var Payne-Gaposchkins karriere enestående vellykket med en enestående avhandling, produktiv forskning, utmerket undervisning og utmerkelse for hennes "første" ved Harvard og andre utmerkelser. Sammen med alt sitt akademiske arbeid fant hun plass til sitt personlige liv. Hun giftet seg med den russiske emigrerte astronomen Sergei Gaposchkin i 1934 og oppdro med ham tre barn mens hun fortsatte astronomisk forskning.

Eksepsjonell drivkraft

På en eller annen måte kan man si at hun "hadde alt" i å kombinere vitenskap med familie og barn, men å komme dit var unødvendig vanskelig og slitsomt på grunn av partiskhet mot kvinner. Hun ble full professor først i en alder av 56, mye senere enn en mann med lignende prestasjoner ville ha nådd den statusen, og etter å ha blitt forbigått for avansement, noe som må ha tatt en psykologisk toll. Bare en person med eksepsjonell driv og utholdenhet, sammen med vitenskapelig evne, kunne ha holdt ut til endelig anerkjennelse.

Til syvende og sist var Cecilia Payne-Gaposchkin, som døde i 1979, en banebrytende vitenskapsmann som gjorde fantastisk arbeid gjennom hele karrieren, men som ikke ble behandlet profesjonelt for det meste. De fleste av Harvard-datamaskiner var ansatte, snarere enn forskere eller doktorgradsstudenter. Mens Shapley ga Payne-Gaposchkin viktige muligheter og forsto hvor god en vitenskapsmann hun var, behandlet han henne også bare som en annen Harvard-datamaskin, ansatt for å støtte sine egne planer for observatoriet. Hun avanserte kvinners posisjon i astronomi utover datamaskinens, men hun møtte fortsatt barrierer som holdt henne fra å være den komplette vitenskapsmannen hun ønsket å være, slik kvinner først begynte å oppnå senere på 20-tallet. Hennes stjernearbeid ble ofte oversett og arven hennes glemt, da hun ble en av de mange "skjulte" kvinnene i vitenskapen som faktisk la grunnlaget på sine felt. Det er først i nyere tid at de betydelige bidragene fra slike som Payne-Gaposchkin blir postskriptet inn i vitenskapens historie, og hun bør huskes som en sentral overgangsfigur mellom eldre og nyere muligheter for kvinner i vitenskapen.

Innlegget Cecilia Payne-Gaposchkin: kvinnen som fant hydrogen i stjernene dukket først på Fysikkens verden.

• Myntsmart. Europas beste Bitcoin og Crypto Exchange.
• Platoblokkkjede. Web3 Metaverse Intelligence. Kunnskap forsterket. FRI TILGANG.
• CryptoHawk. Altcoin Radar. Gratis prøveperiode.
• Kilde: https://physicsworld.com/a/cecilia-payne-gaposchkin-the-woman-who-found-hydrogen-in-the-stars/