Cecilia Payne-Gaposchkin: a mulher que encontrou hidrogênio nas estrelas

O hidrogênio, o átomo mais simples, é um bloco de construção básico do universo. Sabemos que existiu logo após o nascimento do universo e que ainda aparece como grande parte do meio interestelar em que as estrelas se formam. É também o combustível nuclear que mantém as estrelas irradiando imensas quantidades de energia à medida que evoluem ao longo de eras para criar os elementos químicos.

Mas como aprendemos que o hidrogênio é um componente difundido e fundamental do universo? Poucas pessoas sabem que a importância cósmica do hidrogênio foi compreendida pela primeira vez por uma jovem estudante de doutorado, Cecilia Payne (Payne-Gaposchkin depois que se casou), que em 1925 descobriu o hidrogênio nas estrelas. De fato, ela obteve um doutorado em uma época em que ainda era extremamente difícil para as mulheres fazê-lo e fez pesquisas inovadoras para sua tese. Apesar de todo o sucesso de sua ciência, sua história também demonstra as barreiras e o sexismo que dificultaram a realização de suas aspirações científicas pelas mulheres e afetaram suas carreiras por toda parte.

Jovem cientista

Cecilia Payne nasceu em Wendover, Inglaterra, em 1900. Seu pai morreu quando ela tinha quatro anos, mas sua mãe Emma viu que ela tinha um filho talentoso que queria ser cientista. Emma matriculou sua filha na St Paul's School for Girls, em Londres, que estava bem equipada para ensinar ciências. A jovem de 17 anos prosperou lá e, como Payne-Gaposchkin escreveu mais tarde em sua autobiografia A mão do tintureiro (republicado sob o título Cecilia Payne-Gaposchkin: uma autobiografia e outras lembranças), ela iria até o laboratório de ciências para “um pequeno culto de adoração de minha autoria, adorando os elementos químicos”.

Sua educação científica avançada começou em 1919, quando ela entrou Newnham College no Universidade de Cambridge em uma bolsa de estudos. Lá, ela estudou botânica, seu primeiro amor, além de física e química – apesar de, na época, a universidade não oferecer diplomas para mulheres. No entanto, foi um momento emocionante para estudar a ciência física, pois absorvia as áreas nascentes da mecânica quântica e da relatividade.

Em Cambridge, Ernest Rutherford explorava os mundos atômico e subatômico, e Arthur Eddington estudava a estrutura e o desenvolvimento das estrelas. Na verdade, o instrutor de física de Payne-Gaposchkin era o próprio Rutherford, mas como a única mulher da turma, ela se viu sendo humilhada. Os regulamentos da universidade na época exigiam que ela se sentasse na primeira fila. Como ela relata em sua autobiografia, “Em cada palestra [Rutherford] olhava para mim incisivamente… e começava em sua voz estentórea: 'Senhoras e cavalheiros. Todos os meninos cumprimentavam regularmente esse espirituoso com aplausos estrondosos [e] batendo com os pés... em cada palestra eu desejava poder afundar na terra. Até hoje, instintivamente, tomo meu lugar o mais longe possível em uma sala de aula.”

Em vez disso, Payne-Gaposchkin encontrou inspiração em Eddington. Quase por acaso, ela assistiu à palestra dele sobre sua expedição de 1919 à África Ocidental, que confirmou a teoria da relatividade geral de Einstein. Isso a impressionou tanto que ela decidiu escolher física e astronomia em vez de botânica. Quando mais tarde ela conheceu Eddington, como ela escreve em sua autobiografia, “eu deixei escapar que gostaria de ser uma astrônoma... ele deu a resposta que deveria me sustentar através de muitas rejeições: 'Não vejo nenhuma objeção insuperável.' Ele a envolveu em seu trabalho sobre estruturas estelares, mas também a advertiu de que depois de Cambridge provavelmente não haveria oportunidades para uma astrônoma na Inglaterra.

Novas margens

Felizmente, uma nova possibilidade surgiu quando Payne-Gaposchkin conheceu Harlow Shapley, diretor do Observatório do Harvard College em Cambridge, Massachusetts, durante sua visita ao Reino Unido. Ele encorajou seus esforços e ela soube que ele estava instituindo um programa de pós-graduação em astronomia. Com uma recomendação brilhante de Eddington, Shapley ofereceu-lhe um salário modesto como pesquisadora. Em 1923 ela viajou para os Estados Unidos para começar a trabalhar em um doutorado sob a direção de Shapley.

As mulheres há muito contribuíam para a pesquisa no Observatório de Harvard. Na década de 1870, o antecessor de Shapley como diretor, Charles Pickering, começou a contratar mulheres conhecidas como “Harvard Computers” (no sentido original de uma pessoa que faz cálculos) para analisar os estoques de dados que o observatório estava coletando. As mulheres eram preferidas porque eram consideradas mais pacientes do que os homens para trabalhos envolvendo detalhes finos e aceitavam salários mais baixos do que os homens. Alguns dos computadores foram contratados sem formação em ciências, mas mesmo aqueles com diploma universitário foram pagos como trabalhadores não qualificados a 25-50 centavos por hora (ver “O universo através de um vidro escuro").

Os computadores de Harvard não eram pesquisadores independentes, mas assistentes com projetos designados. No entanto, essas mulheres fizeram algumas das contribuições mais significativas para a astronomia observacional inicial. Eles incluíam Henrietta Swan Leavitt – famosa por sua descoberta da relação período-luminosidade das variáveis ​​Cefeidas – e Annie Jump Cannon, que foi reconhecida internacionalmente por organizar espectros estelares.

Sabia-se desde meados do século 19 que cada elemento produz um padrão único de linhas espectrais e que os espectros de diferentes estrelas mostravam semelhanças e diferenças. Isso sugeria que as estrelas poderiam ser classificadas em grupos, mas havia pouco consenso sobre a melhor forma de fazê-lo.

Em 1894, Cannon iniciou o projeto de examinar os espectros estelares coletados no observatório e colocá-los em uma ordem útil. Essa tarefa assustadora a ocupou por anos. Espectros de diferentes estrelas foram registrados em placas fotográficas de vidro, com cada imagem não mais do que uma polegada de comprimento. Com uma lupa, Cannon leu os detalhes de centenas de milhares de espectros e classificou a maioria deles em seis grupos rotulados B, A, F, G, K e M, com uma minoria colocada no grupo O. O sistema foi baseado no força das linhas de absorção de Balmer (que descrevem as emissões de linhas espectrais do átomo de hidrogênio) e refletiam as assinaturas espectrais de elementos particulares, como metais em estrelas K.

Estudos espectrais

Cannon, no entanto, não investigou os mecanismos físicos que causaram os espectros, nem extraiu informações quantitativas deles. Em seu trabalho de doutorado, Payne-Gaposchkin baseou-se na física que aprendeu em Cambridge para analisar esse cache único de dados com as teorias mais recentes. A origem das linhas espectrais havia sido estabelecida apenas uma década antes, em 1913, pela teoria quântica inicial do átomo de hidrogênio de Niels Bohr, posteriormente estendida por outros. Essas teorias se aplicavam a átomos neutros. O grande insight de Payne-Gaposchkin foi perceber que os espectros de átomos excitados ou ionizados – como os que ocorreriam na atmosfera externa quente de uma estrela – diferiam daqueles de átomos neutros da mesma espécie.

A relação entre a temperatura, os estados quânticos dos átomos quentes e suas linhas espectrais foi derivada em 1921 pelo físico indiano Meghnad Saha. Ele não podia testar completamente suas ideias sem conhecer os níveis de energia quântica de cada elemento, mas eles estavam sendo medidos quando Payne-Gaposchkin começou sua pesquisa. Em um esforço maciço, ela combinou os novos dados com a teoria de Saha para interpretar completamente os espectros estelares de Cannon, incluindo efeitos de temperatura. Um resultado significativo foi a correlação das temperaturas estelares com as categorias de Cannon, com resultados ainda usados ​​hoje: por exemplo, as estrelas B brilham a 20,000 K, enquanto as estrelas M brilham a apenas 3000 K. Este resultado, parte da notável tese de Payne-Gaposchkin de 1925 Atmosferas Estelares, foi bem recebido, mas outro resultado em sua tese não foi.

Enigmas de composição

Payne-Gaposchkin calculou a abundância relativa de cada elemento visto nos espectros estelares. Para 15 deles, do lítio ao bário, os resultados foram semelhantes para diferentes estrelas e “exibiram um paralelo impressionante com a composição da Terra”. Isso concordava com a crença entre os astrônomos da época, de que as estrelas eram feitas do mesmo material que a Terra.

Mas então veio uma grande surpresa: sua análise também mostrou que o hidrogênio era um milhão de vezes mais abundante que os outros elementos. O hélio, por sua vez, era mil vezes mais abundante. A conclusão de que o Sol era feito quase inteiramente de hidrogênio imediatamente teve problemas com um respeitado examinador externo de sua dissertação. Este foi Henry Russell, diretor do Observatório de Princeton e um forte defensor da ideia de que a Terra e o Sol tinham a mesma composição. Russell ficou impressionado até ler o resultado dela para o hidrogênio. Então ele escreveu a Payne-Gaposchkin que deve haver algo errado com a teoria porque “é claramente impossível que o hidrogênio seja um milhão de vezes mais abundante que os metais”.

Sem a bênção de Russell, a tese não seria aceita e, assim, Payne-Gaposchkin fez o que sentiu que deveria fazer. Na versão final de sua tese, ela desmentiu essa parte de seu trabalho escrevendo “A enorme abundância derivada de [hidrogênio e hélio] quase certamente não é real”. Mas em 1929 Russell publicou sua própria derivação da abundância estelar dos elementos, incluindo o hidrogênio, usando um método diferente. Ele citou o trabalho de Payne-Gaposchkin e observou que seus resultados para todos os elementos, incluindo a grande abundância de hidrogênio, concordavam notavelmente bem com os dela. Sem dizer isso diretamente, o artigo de Russell confirmou que toda a análise de Payne-Gaposchkin estava correta e que ela foi a primeira a descobrir que o Sol é feito principalmente de hidrogênio. Apesar disso, ele nunca afirmou que originalmente havia rejeitado esse resultado em sua tese.

Pode ser que Russell tenha feito seu comentário sobre o hidrogênio para alertar uma jovem cientista de que apresentar resultados contrários às ideias aceitas poderia prejudicar sua carreira. Provavelmente, apenas um pesquisador sênior da estatura de Russell poderia ter convencido a comunidade astronômica dessa nova descoberta. De fato, seu artigo posterior influenciou os astrônomos a aceitar que as estrelas são feitas de hidrogênio a ponto de ele receber o crédito pela descoberta.

O poder da tese de Cecilia Payne-Gaposchkin fala por si. Seu estilo de escrita lúcido, domínio do assunto e ciência pioneira brilham

Mesmo sem o devido crédito, o poder da tese de Payne-Gaposchkin fala por si. Seu estilo de escrita lúcido, domínio do assunto e ciência pioneira brilham. Shapley imprimiu o trabalho como uma monografia e vendeu 600 cópias – praticamente status de best-seller para uma dissertação. O maior elogio veio quase 40 anos depois, quando o distinto astrônomo Otto Struve chamou Atmosferas Estelares “a mais brilhante tese de doutorado já escrita em astronomia”.

Se Payne-Gaposchkin tinha alguma má vontade em relação a Russell, ela não deu sinal disso e manteve um relacionamento pessoal com ele. Em uma revisão de seu trabalho que ela contribuiu para um simpósio de 1977 em homenagem a ele (ele morreu em 1957), ela chamou seu artigo de 1929 de “marcação de época” sem se referir ao seu próprio trabalho. O que ela lamentou fortemente foi que ela não tinha apoiado seu resultado. Sua filha Katherine Haramundanis escreveu que “ao longo de sua vida, ela lamentou essa decisão”. Em sua autobiografia, Payne-Gaposchkin escreveu: “Eu era o culpado por não ter pressionado meu ponto de vista. Eu tinha cedido à Autoridade quando acreditei que estava certo... Eu anoto isso aqui como um aviso para os jovens. Se você tem certeza de seus fatos, deve defender sua posição.”

Combatendo o preconceito e o preconceito

Depois de concluir sua tese, Payne-Gaposchkin permaneceu no observatório sob Shapley, mas em uma situação anômala. Ela queria continuar a pesquisa astrofísica, mas como Shapley lhe pagava um (pequeno) salário como seu “assistente técnico”, ele sentiu que poderia orientá-la como se ela fosse um computador de Harvard, e ele a colocou para trabalhar medindo o brilho das estrelas – um projeto rotineiro que não a envolvia muito. Shapley também a fez ministrar cursos de pós-graduação, mas sem o título de “instrutora”, muito menos “professora”, e sem ter seus cursos listados no catálogo. Em uma tentativa de remediar isso, Shapley abordou o reitor e presidente de Harvard, abade Lawrence Lowell, mas eles recusaram veementemente. Lowell disse a Shapley que a senhorita Payne (como ela era conhecida na época) “nunca teria um cargo na universidade enquanto ele estivesse vivo”.

Preconceitos de gênero como esse afetaram Payne-Gaposchkin em todas as fases de sua carreira. Seu doutorado (o primeiro em astronomia em Harvard) não era tecnicamente de Harvard. Shapley havia pedido ao presidente do departamento de física de Harvard que aprovasse a dissertação, mas, conforme Shapley transmitiu a Payne-Gaposchkin, o presidente se recusou a aceitar uma candidata. Em vez disso, Shapley teve que providenciar para que seu doutorado fosse concedido pela Radcliffe, a faculdade feminina de Harvard. Quando mais tarde ele começou a construir um verdadeiro departamento de astronomia em Harvard, Shapley estava convencido de que Payne-Gaposchkin, seu melhor pesquisador, estava bem qualificado para servir como seu primeiro presidente - mas ele percebeu que Lowell nunca permitiria isso, e então ele trouxe em um astrônomo masculino.

Depois de décadas de trabalho no observatório, publicando livros e centenas de trabalhos de pesquisa e tornando-se um instrutor requisitado, Payne-Gaposchkin permaneceu em uma espécie de crepúsculo da carreira – mal pago e sem uma posição acadêmica real. Isso mudou apenas em 1954, depois que Shapley se aposentou e Donald Menzel, aluno premiado de Russell em Princeton, tornou-se diretor do observatório. Ele descobriu o quão pouco Payne-Gaposchkin era pago e dobrou seu salário, e então fez algo realmente significativo. Com Lowell e seu preconceito anti-mulher há muito desaparecido (ele havia se aposentado em 1933), Menzel conseguiu que Payne-Gaposchkin fosse nomeado professor titular de astronomia. Esta foi uma grande notícia: o New York Times relatou em 21 de junho de 1956 que “[Payne-Gaposchkin] é a primeira mulher a alcançar o cargo de professor titular em Harvard por meio de promoção regular do corpo docente”. Alguns meses depois, ela se tornou presidente do departamento de astronomia, a primeira mulher a chefiar um departamento em Harvard.

Em retrospecto, a carreira de Payne-Gaposchkin foi eminentemente bem sucedida com uma excelente dissertação, pesquisa prolífica, excelente ensino e distinção por seus “primeiros” em Harvard e outras honras. Junto com todo o seu trabalho acadêmico, ela encontrou espaço para sua vida pessoal. Ela se casou com o astrônomo emigrante russo Sergei Gaposchkin em 1934 e com ele criou três filhos enquanto continuava a pesquisa astronômica.

Condução excepcional

Em certo sentido, pode-se dizer que ela “tinha tudo” ao combinar ciência com família e filhos, mas chegar lá foi desnecessariamente difícil e cansativo por causa do preconceito contra as mulheres. Ela se tornou professora titular apenas aos 56 anos, muito mais tarde do que um homem com realizações semelhantes teria alcançado esse status, e depois de ter sido preterida para o avanço, o que deve ter cobrado um preço psicológico. Somente uma pessoa com motivação e persistência excepcionais, juntamente com habilidade científica, poderia ter resistido até o reconhecimento final.

Em última análise, Cecilia Payne-Gaposchkin, que morreu em 1979, foi uma cientista pioneira que fez um trabalho incrível ao longo de sua carreira, mas não foi tratada profissionalmente na maior parte dele. A maioria dos computadores de Harvard eram funcionários, em vez de pesquisadores ou estudantes de pós-graduação. Embora Shapley tenha dado oportunidades importantes a Payne-Gaposchkin e entendido como ela era uma boa cientista, ele também a tratou apenas como mais um computador de Harvard, contratado para apoiar seus próprios planos para o observatório. Ela avançou a posição das mulheres na astronomia para além dos computadores, mas ainda encontrou barreiras que a impediam de ser a cientista completa que queria ser, como as mulheres só começaram a alcançar mais tarde no século 20. Seu trabalho estelar foi muitas vezes esquecido e seu legado esquecido, pois ela se tornou uma das muitas mulheres “ocultas” na ciência que realmente lançaram as bases em seus campos. Só mais recentemente as contribuições significativas de pessoas como Payne-Gaposchkin estão sendo post-scripted na história da ciência, e ela deve ser lembrada como uma figura chave de transição entre as possibilidades mais antigas e mais recentes para as mulheres na ciência.

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