Cecilia Payne-Gaposchkin: kobieta, która znalazła wodór w gwiazdach

Wodór, najprostszy atom, jest podstawowym elementem budulcowym wszechświata. Wiemy, że istniał wkrótce po narodzinach Wszechświata i że nadal pojawia się jako duża część ośrodka międzygwiazdowego, w którym powstają gwiazdy. Jest to także paliwo jądrowe, dzięki któremu gwiazdy emitują ogromne ilości energii podczas ewolucji przez eony, tworząc pierwiastki chemiczne.

Ale jak dowiedzieliśmy się, że wodór jest powszechnym i podstawowym składnikiem wszechświata? Niewiele osób wie, że kosmiczne znaczenie wodoru po raz pierwszy odkryła młoda doktorantka Cecilia Payne (po ślubie Payne-Gaposchkin), która w 1925 roku odkryła wodór w gwiazdach. Rzeczywiście, uzyskała stopień doktora w czasie, gdy kobietom było to jeszcze niezwykle trudne, i przeprowadziła przełomowe badania na potrzeby swojej pracy magisterskiej. Mimo całego sukcesu jej nauki jej historia ukazuje także bariery i seksizm, które utrudniały kobietom realizację ich naukowych aspiracji i wpływały na ich karierę.

Młody naukowiec

Cecilia Payne urodziła się w Wendover w Anglii w 1900 roku. Jej ojciec zmarł, gdy miała cztery lata, ale jej matka Emma widziała, że ​​ma utalentowane dziecko, które chciało zostać naukowcem. Emma zapisała córkę do szkoły dla dziewcząt św. Pawła w Londynie, która była dobrze przygotowana do nauczania przedmiotów ścisłych. 17-latka świetnie się tam rozwijała i, jak napisała później Payne-Gaposchkin w swojej autobiografii Ręka farbiarza (publikowane ponownie pod tytułem Cecilia Payne-Gaposchkin. Autobiografia i inne wspomnienia), podkradałaby się do laboratorium naukowego na „własne nabożeństwo, adorując pierwiastki chemiczne”.

Jej zaawansowana edukacja naukowa rozpoczęła się w 1919 roku, kiedy wstąpiła Newnham College na University of Cambridge na stypendium. Studiowała tam botanikę, swoją pierwszą miłość, a także fizykę i chemię – mimo że uczelnia nie oferowała wówczas kobietom stopni naukowych. Niemniej jednak był to ekscytujący czas na studiowanie nauk fizycznych, ponieważ pochłaniały one rodzące się obszary mechaniki kwantowej i teorii względności.

W Cambridge tacy jak Ernest Rutherford badali światy atomowe i subatomowe, a Arthur Eddington badał strukturę i rozwój gwiazd. Rzeczywiście, instruktorem fizyki Payne-Gaposchkina był sam Rutherford, ale jako jedyna kobieta w jego klasie poczuła się upokorzona. Obowiązujące wówczas przepisy uniwersyteckie wymagały, aby siedziała w pierwszym rzędzie. Jak relacjonuje w swojej autobiografii: „Podczas każdego wykładu [Rutherford] patrzył na mnie znacząco… i zaczynał swoim stentorowym głosem: „Damski i panowie. Wszyscy chłopcy regularnie witali ten dowcip gromkimi brawami i tupaniem… Na każdym wykładzie żałowałem, że nie mogę zapaść się pod ziemię. Do dziś instynktownie zajmuję miejsce jak najdalej w sali wykładowej”.

Zamiast tego Payne-Gaposchkin znalazł inspirację w Eddingtonie. Niemal przez przypadek uczestniczyła w jego wykładzie na temat jego wyprawy do Afryki Zachodniej w 1919 r., która potwierdziła ogólną teorię względności Einsteina. Zrobiło to na niej takie wrażenie, że zdecydowała się wybrać fizykę i astronomię zamiast botaniki. Kiedy później spotkała Eddingtona, jak pisze w swojej autobiografii, „wypaliłam, że chciałabym zostać astronomem… on dał odpowiedź, która miała mnie podtrzymać w obliczu wielu odmów: „Nie widzę sprzeciwu nie do pokonania”. Zaangażował ją w swoje prace nad strukturami gwiazdowymi, ale przestrzegł ją również, że po Cambridge prawdopodobnie nie będzie już żadnych możliwości dla kobiety-astronoma w Anglii.

Nowe brzegi

Na szczęście pojawiła się nowa możliwość, gdy Payne-Gaposchkin spotkał Harlowa Shapleya, dyrektora ds Obserwatorium Harvard College w Cambridge w stanie Massachusetts podczas swojej wizyty w Wielkiej Brytanii. Zachęcał ją do wysiłków i dowiedziała się, że inicjuje studia podyplomowe z astronomii. Dzięki świetnej rekomendacji Eddingtona Shapley zaoferował jej skromne stypendium jako pracownik naukowy. W 1923 roku popłynęła do Stanów Zjednoczonych, aby rozpocząć pracę nad doktoratem pod kierunkiem Shapleya.

Kobiety od dawna wnosiły wkład w badania w Obserwatorium Harvarda. W latach siedemdziesiątych XIX wieku poprzednik Shapleya na stanowisku dyrektora, Charles Pickering, zaczął zatrudniać kobiety zwane „Harvard Computers” (w pierwotnym znaczeniu osoby wykonującej obliczenia) do analizowania zasobów danych gromadzonych przez obserwatorium. Preferowano kobiety, ponieważ uważano, że są bardziej cierpliwe od mężczyzn w przypadku pracy wymagającej drobnych szczegółów i akceptowały niższe płace niż mężczyźni. Część komputerów wynajmowano bez przygotowania naukowego, ale nawet ci z wyższym wykształceniem otrzymywali wynagrodzenie jak robotnicy niewykwalifikowani, wynoszące 1870–25 centów za godzinę (patrz „Wszechświat przez mroczną szybę").

Harvard Computers nie byli niezależnymi badaczami, ale asystentami przy przydzielonych projektach. Niemniej jednak kobiety te wniosły jeden z najbardziej znaczących wkładów we wczesną astronomię obserwacyjną. Należeli do nich Henrietta Swan Leavitt – znana z odkrycia zależności okres-jasność zmiennych cefeid – i Annie Jump Cannon, która zyskała międzynarodowe uznanie za porządkowanie widm gwiazd.

Od połowy XIX wieku było wiadomo, że każdy pierwiastek tworzy niepowtarzalny układ linii widmowych, a widma różnych gwiazd wykazują zarówno podobieństwa, jak i różnice. Sugerowało to, że gwiazdy można podzielić na grupy, ale nie było zgody co do tego, jak najlepiej to zrobić.

W 1894 roku Cannon rozpoczął projekt badania widm gwiazd zebranych w obserwatorium i uporządkowania ich w użyteczny sposób. To trudne zadanie zajmowało ją przez lata. Widma różnych gwiazd rejestrowano na szklanych płytach fotograficznych, a każdy obraz miał nie więcej niż cal. Za pomocą szkła powiększającego Cannon odczytał szczegóły setek tysięcy widm i posegregował większość z nich na sześć grup oznaczonych jako B, A, F, G, K i M, a mniejszość umieszczono w grupie O. System opierał się na siłę linii absorpcyjnych Balmera (które opisują emisję linii widmowych atomu wodoru) i odzwierciedlały sygnatury widmowe poszczególnych pierwiastków, takich jak metale w gwiazdach K.

Badania spektralne

Cannon nie badała jednak mechanizmów fizycznych powodujących powstawanie widm ani nie wydobywała z nich informacji ilościowych. W swojej pracy doktorskiej Payne-Gaposchkin wykorzystała fizykę, której nauczyła się w Cambridge, aby przeanalizować ten wyjątkowy zbiór danych za pomocą najnowszych teorii. Pochodzenie linii widmowych zostało ustalone zaledwie dziesięć lat wcześniej, w 1913 roku, na podstawie wczesnej kwantowej teorii atomu wodoru Nielsa Bohra, później rozszerzonej przez innych. Teorie te dotyczyły atomów obojętnych. Wielkim odkryciem Payne-Gaposchkina było docenienie tego, że widma wzbudzonych lub zjonizowanych atomów – jakie występują w gorącej zewnętrznej atmosferze gwiazdy – różnią się od widm obojętnych atomów tego samego gatunku.

Zależność między temperaturą, stanami kwantowymi gorących atomów i ich liniami widmowymi została wyprowadzona w 1921 roku przez indyjskiego fizyka Meghnada Saha. Nie mógł w pełni przetestować swoich pomysłów, nie znając poziomów energii kwantowej każdego pierwiastka, ale były one mierzone, gdy Payne-Gaposchkin rozpoczynała swoje badania. Wkładając ogromny wysiłek, połączyła nowe dane z teorią Sahy, aby w pełni zinterpretować widma gwiazd Cannona, w tym wpływ temperatury. Jednym z istotnych wyników była korelacja temperatur gwiazd z kategoriami Cannona, a wyniki są nadal używane: na przykład gwiazdy B świecą w temperaturze 20,000 3000 K, podczas gdy gwiazdy M świecą zaledwie w temperaturze 1925 K. Wynik ten stanowi część niezwykłej tezy Payne-Gaposchkina z XNUMX roku Atmosfery gwiezdne, została dobrze przyjęta, ale inny wynik jej pracy dyplomowej nie został przyjęty.

Zagadki kompozycyjne

Payne-Gaposchkin obliczył względną obfitość każdego pierwiastka widocznego w widmach gwiazd. W przypadku 15 z nich, od litu po bar, wyniki były podobne dla różnych gwiazd i „wykazywały uderzającą analogię do składu Ziemi”. Zgadzało się to z przekonaniem ówczesnych astronomów, że gwiazdy zbudowane są z tego samego materiału co Ziemia.

Ale potem nastąpiło wielkie zaskoczenie: jej analiza wykazała również, że wodoru było milion razy więcej niż innych pierwiastków. Tymczasem helu było tysiąc razy więcej. Wniosek, że Słońce składa się prawie wyłącznie z wodoru, natychmiast spotkał się z problemem szanowanego zewnętrznego recenzenta jej rozprawy doktorskiej. Był to Henry Russell, dyrektor Obserwatorium w Princeton i zdecydowany zwolennik idei, że Ziemia i Słońce mają ten sam skład. Russell był pod wrażeniem, dopóki nie przeczytał jej wyniku na obecność wodoru. Następnie napisał do Payne-Gaposchkina, że ​​coś musi być nie tak z teorią, ponieważ „jest całkowicie niemożliwe, aby wodór występował w ilości milion razy większej niż metale”.

Bez błogosławieństwa Russella praca dyplomowa nie zostałaby zaakceptowana, więc Payne-Gaposchkin zrobiła to, co uważała za konieczne. W ostatecznej wersji swojej pracy wyparła się tej części swojej pracy, pisząc: „Ogromna obfitość [wodoru i helu] prawie na pewno nie jest prawdziwa”. Jednak w 1929 roku Russell opublikował własne wyprowadzenie gwiazdowej obfitości pierwiastków, w tym wodoru, przy użyciu innej metody. Zacytował pracę Payne-Gaposchkin i zauważył, że jego wyniki dla wszystkich pierwiastków, w tym dużej ilości wodoru, były wyjątkowo dobrze zgodne z jej wynikami. Nie mówiąc tego bezpośrednio, artykuł Russella potwierdził, że cała analiza Payne-Gaposchkin była poprawna i że jako pierwsza odkryła, że ​​Słońce składa się głównie z wodoru. Mimo to nigdy nie oświadczył, że pierwotnie odrzucił ten wynik w jej pracy magisterskiej.

Być może Russell zamieścił swój komentarz na temat wodoru, aby ostrzec młodą naukowczynię, że przedstawianie wyników sprzecznych z przyjętymi poglądami może zaszkodzić jej karierze. Prawdopodobnie tylko starszy badacz rangi Russella mógłby przekonać społeczność astronomiczną o tym nowym odkryciu. Rzeczywiście, jego późniejsza praca wpłynęła na astronomów, którzy zaakceptowali teorię, że gwiazdy składają się z wodoru, do tego stopnia, że ​​przypisano mu odkrycie.

Siła tezy Cecilii Payne-Gaposchkin mówi sama za siebie. Jej przejrzysty styl pisania, znajomość tematu i pionierska nauka rzucają się w oczy

Nawet bez odpowiedniego uznania siła tezy Payne-Gaposchkina mówi sama za siebie. Jej przejrzysty styl pisania, znajomość tematu i pionierska nauka rzucają się w oczy. Shapley zlecił wydrukowanie tej pracy w formie monografii, która sprzedała się w 600 egzemplarzach, co stanowiło praktycznie bestseller w przypadku rozprawy doktorskiej. Najwyższa pochwała przyszła prawie 40 lat później, kiedy zadzwonił wybitny astronom Otto Struve Atmosfery gwiezdne „najwspanialszą rozprawą doktorską, jaką kiedykolwiek napisano z astronomii”.

Jeśli Payne-Gaposchkin żywiła jakąkolwiek niechęć do Russella, nie dała tego na zewnątrz i utrzymywała z nim osobiste stosunki. W recenzji jego twórczości, którą wzięła udział w sympozjum poświęconym mu w 1977 r. (zmarł w 1957 r.), nazwała jego artykuł z 1929 r. „epokowym”, nie odnosząc się do swojej własnej pracy. Bardzo żałowała, że ​​nie poparła swojego wyniku. Jej córka Katherine Haramundanis napisała, że ​​„przez całe życie ubolewała nad tą decyzją”. W swojej autobiografii Payne-Gaposchkin napisała: „To ja byłam winna, że ​​nie naciskałam na swoje stanowisko. Poddałem się Władzy, kiedy wierzyłem, że mam rację… Zapisuję to tutaj jako ostrzeżenie dla młodych. Jeżeli jesteś pewien swoich faktów, powinieneś bronić swojego stanowiska.”

Walka z uprzedzeniami i uprzedzeniami

Po ukończeniu pracy magisterskiej Payne-Gaposchkin pozostała w obserwatorium pod kierunkiem Shapleya, ale w nietypowej sytuacji. Chciała kontynuować badania astrofizyczne, ale ponieważ Shapley płacił jej (niewielką) pensję jako jego „asystent techniczny”, uznał, że może nią kierować tak, jakby była pracownikiem Harvardu, i zatrudnił ją do pomiaru jasności gwiazd – rutynowy projekt, który niezbyt ją angażował. Shapley kazała jej także prowadzić kursy podyplomowe, ale bez tytułu „instruktora”, nie mówiąc już o „profesierze” i bez wpisania jej kursów do katalogu. Próbując zaradzić temu problemowi, Shapley zwrócił się do dziekana i prezydenta Harvardu, opata Lawrence'a Lowella, ale ten stanowczo odmówił. Lowell powiedział Shapleyowi, że panna Payne (jak ją wówczas nazywano) „nigdy nie będzie miała stanowiska na uniwersytecie, dopóki on będzie żył”.

Tego rodzaju uprzedzenia związane z płcią wpływały na Payne-Gaposchkin na każdym etapie jej kariery. Jej doktorat (pierwszy z astronomii na Harvardzie) technicznie rzecz biorąc nie pochodził z Harvardu. Shapley poprosił kierownika wydziału fizyki Harvardu o podpisanie rozprawy doktorskiej, ale gdy Shapley przekazał informację Payne-Gaposchkinowi, kierownik odmówił przyjęcia kandydatki na kobietę. Zamiast tego Shapley musiała zorganizować przyznanie jej doktoratu przez Radcliffe, żeński college na Harvardzie. Kiedy później zaczął budować prawdziwy wydział astronomii na Harvardzie, Shapley był przekonany, że Payne-Gaposchkin, jego najlepszy badacz, ma odpowiednie kwalifikacje, aby zostać jego pierwszym przewodniczącym – zdał sobie jednak sprawę, że Lowell nigdy na to nie pozwoli, więc sprowadził u męskiego astronoma.

Po kilkudziesięciu latach pracy w obserwatorium, opublikowaniu książek i setek artykułów naukowych oraz zostaniu poszukiwanym instruktorem, Payne-Gaposchkin znajdował się w swego rodzaju zmierzchu kariery – słabo opłacany i pozbawiony prawdziwego stanowiska akademickiego. Zmieniło się to dopiero w 1954 roku, kiedy Shapley przeszedł na emeryturę, a dyrektorem obserwatorium został Donald Menzel, nagrodzony uczeń Russella w Princeton. Odkrył, jak mało zarabia Payne-Gaposchkin, podwoił jej pensję, a potem zrobił coś naprawdę znaczącego. Kiedy Lowell i jego antykobiece uprzedzenia już dawno minęły (przeszedł na emeryturę w 1933 r.), Menzelowi udało się mianować Payne-Gaposchkina profesorem zwyczajnym astronomii. To była ważna wiadomość: New York Times doniosła 21 czerwca 1956 r., że „[Payne-Gaposchkin] jest pierwszą kobietą, która uzyskała pełny tytuł profesora na Harvardzie dzięki regularnemu awansowi na wydziałach”. Kilka miesięcy później została kierownikiem wydziału astronomii i stała się pierwszą kobietą kierującą wydziałem na Harvardzie.

Z perspektywy czasu można stwierdzić, że kariera Payne-Gaposchkin była niezwykle udana dzięki znakomitej rozprawie doktorskiej, płodnym badaniom, doskonałemu nauczaniu i wyróżnieniom za „pierwsze osiągnięcia” na Harvardzie oraz innym wyróżnieniom. Oprócz całej pracy naukowej znalazła miejsce na życie osobiste. W 1934 roku wyszła za mąż za rosyjskiego astronoma na emigracji Siergieja Gaposchkina i wraz z nim wychowała trójkę dzieci, kontynuując badania astronomiczne.

Wyjątkowy napęd

W pewnym sensie można powiedzieć, że „miała wszystko”, jeśli chodzi o łączenie nauki z rodziną i dziećmi, ale osiągnięcie tego było niepotrzebnie trudne i wyczerpujące ze względu na uprzedzenia wobec kobiet. Profesorem zwyczajnym została dopiero w wieku 56 lat, znacznie później niż mężczyzna o podobnych osiągnięciach osiągnąłby ten status i po pominięciu awansu, co musiało odcisnąć piętno na psychice. Tylko osoba charakteryzująca się wyjątkową determinacją i wytrwałością, a także zdolnościami naukowymi, mogła przetrwać aż do ostatecznego uznania.

Ostatecznie Cecilia Payne-Gaposchkin, zmarła w 1979 r., była pionierką naukowca, która przez całą swoją karierę wykonywała niesamowitą pracę, ale przez większą część jej kariery nie była traktowana profesjonalnie. Większość Harvard Computers to pracownicy, a nie badacze czy studenci. Chociaż Shapley dał Payne-Gaposchkinowi ważne możliwości i rozumiał, jak dobrą jest naukowcem, traktował ją jedynie jak jeszcze jeden komputer z Harvardu, zatrudniony do wspierania jego własnych planów dotyczących obserwatorium. Zwiększyła pozycję kobiet w astronomii poza pozycję komputerów, ale nadal napotykała bariery, które uniemożliwiały jej bycie kompletnym naukowcem, jakim chciała być, co kobiety zaczęły osiągać dopiero pod koniec XX wieku. Jej znakomita praca była często pomijana, a jej dziedzictwo zapominane, ponieważ stała się jedną z wielu „ukrytych” kobiet w nauce, które faktycznie położyły podwaliny w swoich dziedzinach. Dopiero niedawno znaczący wkład takich osób jak Payne-Gaposchkin został wpisany postscriptum do historii nauki i należy o niej pamiętać jako o kluczowej postaci przejściowej między starszymi i nowszymi możliwościami dla kobiet w nauce.

Post Cecilia Payne-Gaposchkin: kobieta, która znalazła wodór w gwiazdach pojawiła się najpierw na Świat Fizyki.

• Coinsmart. Najlepsza w Europie giełda bitcoinów i kryptowalut.
• Platoblockchain. Web3 Inteligencja Metaverse. Wzmocniona wiedza. DARMOWY DOSTĘP.
• CryptoJastrząb. Radar Altcoin. Bezpłatna wersja próbna.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/cecilia-payne-gaposchkin-the-woman-who-found-hydrogen-in-the-stars/