Сесилия Пейн-Гапошкин: женщина, которая нашла водород в звездах

Водород, простейший атом, является основным строительным блоком Вселенной. Мы знаем, что она существовала вскоре после рождения Вселенной и до сих пор выглядит как большая часть межзвездной среды, в которой формируются звезды. Это также ядерное топливо, которое заставляет звезды излучать огромное количество энергии, поскольку они эволюционируют в течение тысячелетий, создавая химические элементы.

Но как мы узнали, что водород является широко распространенным и фундаментальным компонентом Вселенной? Мало кто знает, что космическое значение водорода впервые осознала молодая аспирантка Сесилия Пейн (Пейн-Гапошкин после замужества), которая в 1925 году открыла водород в звездах. Действительно, она получила докторскую степень в то время, когда женщинам было еще очень трудно это сделать, и провела прорывное исследование для своей диссертации. При всем успехе ее науки ее история также демонстрирует барьеры и сексизм, которые мешали женщинам реализовывать свои научные устремления и влияли на их карьеру во всем.

Молодой ученый

Сесилия Пейн родилась в Вендовере, Англия, в 1900 году. Ее отец умер, когда ей было четыре года, но ее мать Эмма увидела, что у нее одаренный ребенок, который хочет стать ученым. Эмма записала свою дочь в школу для девочек Святого Павла в Лондоне, которая была хорошо оборудована для преподавания естественных наук. 17-летняя девушка процветала там и, как позже написала Пейн-Гапошкин в своей автобиографии Рука красильщика (переиздано под названием Сесилия Пейн-Гапошкин: автобиография и другие воспоминания), она подкрадывалась в научную лабораторию для «своего небольшого богослужения, поклоняясь химическим элементам».

Ее передовое научное образование началось в 1919 году, когда она поступила в Ньюнхем колледж на Кембриджский университет на стипендию. Там она изучала ботанику, свою первую любовь, а также физику и химию — несмотря на то, что в то время университет не предлагал женщинам ученых степеней. Тем не менее, это было захватывающее время для изучения физических наук, поскольку они вобрали в себя зарождающиеся области квантовой механики и теории относительности.

В Кембридже такие люди, как Эрнест Резерфорд, исследовали атомный и субатомный миры, а Артур Эддингтон изучал структуру и развитие звезд. Действительно, учителем физики Пейн-Гапошкина был сам Резерфорд, но как единственная женщина в его классе она оказалась униженной. Университетские правила того времени требовали, чтобы она сидела в первом ряду. Как она рассказывает в своей автобиографии: «На каждой лекции [Резерфорд] многозначительно смотрел на меня… и начинал своим зычным голосом:Дамы и джентльмены. Все мальчишки регулярно встречали эту остроту бурными аплодисментами [и] топаньем ногами… на каждой лекции мне хотелось провалиться сквозь землю. До сих пор я инстинктивно занимаю свое место как можно дальше в аудитории».

Вместо этого Пейн-Гапошкин нашел вдохновение в Эддингтоне. Почти случайно она посетила его лекцию об экспедиции 1919 года в Западную Африку, которая подтвердила общую теорию относительности Эйнштейна. Это настолько впечатлило ее, что она решила предпочесть физику и астрономию ботанике. Когда позже ей довелось встретиться с Эддингтоном, как она пишет в своей автобиографии, «я выпалила, что хотела бы стать астрономом… он дал ответ, который поддержал меня во многих отпорах: «Я не вижу непреодолимых возражений». Он привлек ее к своей работе над звездными структурами, но также предупредил ее, что после Кембриджа в Англии, скорее всего, не будет возможностей для женщины-астронома.

Новые берега

К счастью, появилась новая возможность, когда Пейн-Гапошкин встретил Харлоу Шепли, директора Гарвардский колледж обсерватория в Кембридже, штат Массачусетс, во время своего визита в Великобританию. Он поощрял ее усилия, и она узнала, что он учреждает аспирантуру по астрономии. Получив восторженную рекомендацию от Эддингтона, Шепли предложил ей скромную стипендию в качестве научного сотрудника. В 1923 году она отплыла в США, чтобы начать работу над докторской диссертацией под руководством Шепли.

Женщины уже давно вносят свой вклад в исследования Гарвардской обсерватории. В 1870-х годах предшественник Шепли на посту директора, Чарльз Пикеринг, начал нанимать женщин, известных как «Гарвардские компьютеры» (в первоначальном смысле человека, который занимается расчетами), для анализа хранилищ данных, которые собирала обсерватория. Женщин предпочитали, потому что считалось, что они более терпеливы, чем мужчины, в работе с мелкими деталями, и они соглашались на более низкую заработную плату, чем мужчины. Некоторые компьютеры были наняты без научной подготовки, но даже тем, у кого было высшее образование, платили, как чернорабочим, по 25–50 центов в час (см.Вселенная сквозь стекло темно").

Гарвардские компьютеры были не независимыми исследователями, а помощниками по заданным проектам. Тем не менее, эти женщины внесли один из самых значительных вкладов в раннюю наблюдательную астрономию. Среди них были Генриетта Свон Ливитт, известная своим открытием зависимости период-светимость переменных цефеид, и Энни Джамп Кэннон, получившая международное признание за организацию звездных спектров.

С середины 19 века было известно, что каждый элемент образует уникальный узор спектральных линий и что спектры разных звезд обнаруживают как сходство, так и различия. Это предполагало, что звезды можно классифицировать по группам, но не было единого мнения о том, как это лучше сделать.

В 1894 году Кэннон начал проект по изучению звездных спектров, собранных в обсерватории, и упорядочиванию их. Эта непростая задача занимала ее долгие годы. Спектры от разных звезд записывались на стеклянные фотопластинки, причем каждое изображение имело длину не более дюйма. С помощью увеличительного стекла Кэннон прочитал детали сотен тысяч спектров и отсортировал большинство из них по шести группам, обозначенным B, A, F, G, K и M, а меньшую часть поместил в группу O. Система была основана на сила бальмеровских линий поглощения (которые описывают спектральные линии излучения атома водорода) и отражали спектральные характеристики определенных элементов, таких как металлы в K-звездах.

Спектральные исследования

Кэннон, однако, не исследовала физические механизмы, вызвавшие появление спектров, и не извлекла из них количественную информацию. В своей докторской работе Пейн-Гапошкин опиралась на физику, которую она изучила в Кембридже, чтобы проанализировать этот уникальный массив данных с помощью новейших теорий. Происхождение спектральных линий было установлено всего десятью годами ранее, в 1913 году, благодаря ранней квантовой теории атома водорода Нильса Бора, позже расширенной другими. Эти теории применялись к нейтральным атомам. Великая проницательность Пейна-Гапошкина заключалась в том, что он понял, что спектры возбужденных или ионизированных атомов, которые возникают в горячей внешней атмосфере звезды, отличаются от спектров нейтральных атомов того же вида.

Связь между температурой, квантовыми состояниями горячих атомов и их спектральными линиями была установлена ​​в 1921 году индийским физиком Мегнадом Саха. Он не мог полностью проверить свои идеи, не зная квантовых уровней энергии для каждого элемента, но они измерялись, когда Пейн-Гапошкин начала свои исследования. Приложив огромные усилия, она объединила новые данные с теорией Саха, чтобы полностью интерпретировать звездные спектры Кэннона, включая температурные эффекты. Одним из важных результатов была корреляция звездных температур с категориями Кэннона, результаты которой используются до сих пор: например, звезды B светятся при 20,000 3000 K, тогда как звезды M светятся только при 1925 K. Этот результат является частью замечательного тезиса Пейна-Гапошкина XNUMX года. Звездные атмосферы, был хорошо принят, но другого результата в ее диссертации не было.

Композиционные загадки

Пейн-Гапошкин рассчитал относительное содержание каждого элемента, видимого в звездных спектрах. Для 15 из них, от лития до бария, результаты были схожими для разных звезд и «отображали поразительную параллель с составом Земли». Это согласовывалось с мнением астрономов того времени, что звезды состоят из того же вещества, что и Земля.

Но затем последовал большой сюрприз: ее анализ также показал, что водорода в миллион раз больше, чем других элементов. Между тем гелия было в тысячу раз больше. Вывод о том, что Солнце почти полностью состоит из водорода, сразу же столкнулся с проблемами со стороны уважаемого стороннего рецензента ее диссертации. Это был Генри Рассел, директор Принстонской обсерватории и убежденный сторонник идеи о том, что Земля и Солнце имеют одинаковый состав. Рассел был впечатлен, пока не прочитал ее результат для водорода. Затем он написал Пейну-Гапошкину, что с этой теорией должно быть что-то не так, потому что «совершенно невозможно, чтобы водорода было в миллион раз больше, чем металлов».

Без благословения Рассела тезис не был бы принят, и поэтому Пейн-Гапошкин сделала то, что, по ее мнению, она должна была сделать. В окончательной версии своей диссертации она отказалась от этой части своей работы, написав: «Огромное изобилие, полученное для [водорода и гелия], почти наверняка нереально». Но в 1929 году Рассел опубликовал свой собственный вывод о звездном содержании элементов, включая водород, с использованием другого метода. Он процитировал работу Пейн-Гапошкин и отметил, что его результаты для всех элементов, включая большое количество водорода, удивительно хорошо согласуются с ее результатами. Не говоря об этом прямо, статья Рассела подтвердила, что весь анализ Пейн-Гапошкин был верен, и что она была первой, кто обнаружил, что Солнце в основном состоит из водорода. Несмотря на это, он никогда не заявлял, что изначально отверг этот результат в ее диссертации.

Возможно, Рассел предложил свой комментарий о водороде, чтобы предупредить молодого ученого, что представление результатов, противоречащих общепринятым представлениям, может повредить ее карьере. Вероятно, только старший исследователь уровня Рассела мог убедить астрономическое сообщество в этом новом открытии. Действительно, его более поздняя работа повлияла на астрономов, заставив их признать, что звезды состоят из водорода, до такой степени, что ему приписали открытие.

Сила тезиса Сесилии Пейн-Гапошкин говорит сама за себя. Ее ясный стиль письма, владение предметом и новаторская наука сияют.

Даже без должного доверия сила тезиса Пейна-Гапошкина говорит сама за себя. Ее ясный стиль письма, владение предметом и новаторская наука сияют. Шепли напечатал эту работу в виде монографии, и она была продана тиражом 600 экземпляров — фактически статус бестселлера для диссертации. Высшая похвала прозвучала почти 40 лет спустя, когда выдающийся астроном Отто Струве назвал Звездные атмосферы «самая блестящая докторская диссертация, когда-либо написанная по астрономии».

Если Пейн-Гапошкин и питала к Расселу неприязнь, то внешне она этого не показывала и поддерживала с ним личные отношения. В обзоре его работы, который она представила на симпозиуме 1977 года в его честь (он умер в 1957 году), она назвала его статью 1929 года «эпохальной», не ссылаясь на свою собственную работу. О чем она действительно сильно сожалела, так это о том, что не поддержала свой результат. Ее дочь Кэтрин Харамунданис писала, что «всю жизнь она оплакивала это решение». В своей автобиографии Пейн-Гапошкин написала: «Я была виновата в том, что не настаивала на своей точке зрения. Я уступил Властям, когда считал, что был прав… Я отмечаю это здесь как предостережение для молодежи. Если вы уверены в своих фактах, вы должны отстаивать свою позицию».

Борьба с предубеждениями и предрассудками

После защиты диссертации Пейн-Гапошкин осталась в обсерватории у Шепли, но в аномальной ситуации. Она хотела продолжить астрофизические исследования, но поскольку Шепли платил ей (небольшое) жалованье в качестве своего «технического помощника», он чувствовал, что может управлять ею, как если бы она была гарвардским компьютером, и поручил ей измерять яркость звезд — рутинный проект, который ее мало занимал. Шепли также поручил ей вести курсы для выпускников, но без звания «инструктор», не говоря уже о «профессоре», и без указания ее курсов в каталоге. Пытаясь исправить это, Шепли обратился к декану и президенту Гарварда аббату Лоуренсу Лоуэллу, но они категорически отказались. Лоуэлл сказал Шепли, что мисс Пейн (как ее тогда называли) «никогда не получит место в университете, пока он жив».

Подобная гендерная предвзятость затрагивала Пейн-Гапошкин на каждом этапе ее карьеры. Ее докторская степень (первая по астрономии в Гарварде) технически не из Гарварда. Шепли попросил председателя физического факультета Гарварда подписать диссертацию, но, как сообщил Шепли Пейн-Гапошкин, кафедра отказалась принять женщину-кандидата. Вместо этого Шепли пришлось устроить так, чтобы ее докторская степень была присуждена Рэдклифф, женский колледж при Гарварде. Когда позже он начал строить настоящий факультет астрономии в Гарварде, Шепли был убежден, что Пейн-Гапошкин, его лучший исследователь, вполне подходит для того, чтобы стать его первым заведующим, но он понимал, что Лоуэлл никогда этого не допустит, и поэтому он привел у мужчины-астронома.

После десятилетий работы в обсерватории, публикации книг и сотен исследовательских работ и превращения в востребованного преподавателя Пейн-Гапошкин остался в своего рода карьерных сумерках — малооплачиваемый и без настоящей академической должности. Ситуация изменилась только в 1954 году, когда Шепли вышел на пенсию, а директором обсерватории стал Дональд Мензел, лучший ученик Рассела в Принстоне. Он обнаружил, как мало платят Пейн-Гапошкиной, и удвоил ей жалованье, а затем сделал нечто действительно значительное. Поскольку Лоуэлл и его антиженское предубеждение давно ушли (он вышел на пенсию в 1933 году), Мензель смог добиться назначения Пейн-Гапошкин профессором астрономии. Это была большая новость: New York Times сообщила 21 июня 1956 года, что «[Пейн-Гапошкин] - первая женщина, получившая полное звание профессора в Гарварде благодаря регулярному продвижению по службе». Несколько месяцев спустя она стала заведующей кафедрой астрономии, став первой женщиной, возглавившей кафедру в Гарварде.

Оглядываясь назад, можно сказать, что карьера Пейн-Гапошкин была в высшей степени успешной благодаря выдающейся диссертации, плодотворным исследованиям, отличному преподаванию и отличиям за ее «первое» в Гарварде и другим наградам. Наряду со всей своей академической работой она нашла место и для личной жизни. Она вышла замуж за русского астронома-эмигранта Сергея Гапошкина в 1934 году и вместе с ним вырастила троих детей, продолжая астрономические исследования.

Исключительный драйв

В каком-то смысле можно сказать, что у нее «все получилось», совмещая науку с семьей и детьми, но добиться этого было излишне сложно и изнурительно из-за предвзятого отношения к женщинам. Она стала профессором только в 56 лет, намного позже, чем человек с аналогичными достижениями достиг бы этого статуса, и после того, как ее обошли для продвижения по службе, что должно было иметь психологические последствия. Только человек с исключительным драйвом и настойчивостью, наряду с научными способностями, мог дожить до окончательного признания.

В конце концов, Сесилия Пейн-Гапошкин, умершая в 1979 году, была ученым-первопроходцем, проделавшим потрясающую работу на протяжении всей своей карьеры, но большую часть времени с ней не обращались профессионально. Большинство сотрудников Harvard Computers были сотрудниками, а не исследователями или аспирантами. Хотя Шепли предоставил Пейн-Гапошкин важные возможности и понял, насколько она была хорошим ученым, он также относился к ней просто как к еще одному гарвардскому компьютеру, нанятому для поддержки его собственных планов относительно обсерватории. Она продвинула положение женщин в астрономии по сравнению с компьютерами, но она все еще сталкивалась с препятствиями, которые не позволяли ей стать полноценным ученым, которым она хотела быть, поскольку женщины начали достигать этого только позже, в 20 веке. Ее звездную работу часто игнорировали, а ее наследие забывали, поскольку она стала одной из многих «скрытых» женщин в науке, которые фактически заложили фундамент в своих областях. Только в последнее время значительный вклад таких людей, как Пейн-Гапошкин, вписывается в историю науки, и ее следует помнить как ключевую переходную фигуру между старыми и новыми возможностями для женщин в науке.

сообщение Сесилия Пейн-Гапошкин: женщина, которая нашла водород в звездах Появившийся сначала на Мир физики.

• Коинсмарт. Лучшая в Европе биржа биткойнов и криптовалют.
• Платоблокчейн. Интеллект метавселенной Web3. Расширение знаний. БЕСПЛАТНЫЙ ДОСТУП.
• КриптоХок. Альткоин Радар. Бесплатная пробная версия.
• Источник: https://physicsworld.com/a/cecilia-payne-gaposchkin-the-woman-who-found-hydrogen-in-the-stars/