Cecilia Payne-Gaposchkin: kvinnan som hittade väte i stjärnorna

Väte, den enklaste atomen, är en grundläggande byggsten i universum. Vi vet att den existerade strax efter att universum föddes och att den fortfarande uppträder som en stor del av det interstellära medium där stjärnor bildas. Det är också kärnbränslet som får stjärnor att utstråla enorma mängder energi när de utvecklas under eoner för att skapa de kemiska elementen.

Men hur lärde vi oss att väte är en utbredd och grundläggande komponent i universum? Inte tillräckligt många vet att den kosmiska betydelsen av väte först insågs av en ung doktorand, Cecilia Payne (Payne-Gaposchkin efter att hon gifte sig), som 1925 upptäckte väte i stjärnorna. Hon tog faktiskt en doktorsexamen vid en tidpunkt då det fortfarande var extremt svårt för kvinnor att göra det, och gjorde banbrytande forskning för sin avhandling. Trots all framgång med hennes vetenskap, visar hennes berättelse också de barriärer och sexism som gjorde det svårt för kvinnor att uppfylla sina vetenskapliga ambitioner och påverkade deras karriärer hela tiden.

Ung vetenskapsman

Cecilia Payne föddes i Wendover, England, 1900. Hennes pappa dog när hon var fyra, men hennes mamma Emma såg att hon hade ett begåvat barn som ville bli vetenskapsman. Emma skrev in sin dotter på St Paul's School for Girls i London, som var väl rustad för att undervisa i naturvetenskap. 17-åringen trivdes där och, som Payne-Gaposchkin senare skrev i sin självbiografi Färgarens hand (återpublicerad under titeln Cecilia Payne-Gaposchkin: En självbiografi och andra minnen), skulle hon stjäla upp till vetenskapslabbet för "en liten egen gudstjänst, avgudande av de kemiska elementen".

Hennes avancerade naturvetenskapliga utbildning började 1919 när hon började Newnham College vid University of Cambridge på ett stipendium. Där studerade hon botanik, hennes första kärlek, samt fysik och kemi – trots att universitetet vid den tiden inte erbjöd examen till kvinnor. Ändå var det en spännande tid att studera fysisk vetenskap eftersom den absorberade de begynnande områdena av kvantmekanik och relativitetsteori.

I Cambridge utforskade personer som Ernest Rutherford atom- och subatomvärlden, och Arthur Eddington studerade stjärnornas struktur och utveckling. Faktum är att Payne-Gaposchkins fysikinstruktör var Rutherford själv, men som den enda kvinnan i hans klass upptäckte hon att hon blev förödmjukad. Universitetets bestämmelser på den tiden krävde att hon skulle sitta på första raden. Som hon berättar i sin självbiografi: "Vid varje föreläsning såg [Rutherford] spetsigt på mig ... och började med sin stentoriska röst: 'Dam och herrar.' Alla pojkarna hälsade regelbundet denna kvickhet med dånande applåder [och] stampande med fötterna ... vid varje föreläsning önskade jag att jag kunde sjunka ner i jorden. Till denna dag tar jag instinktivt min plats så långt tillbaka som möjligt i ett föreläsningsrum.”

Istället hittade Payne-Gaposchkin inspiration i Eddington. Nästan av en slump deltog hon i hans föreläsning om hans 1919 års expedition till Västafrika som bekräftade Einsteins allmänna relativitetsteori. Detta imponerade så mycket på henne att hon bestämde sig för att välja fysik och astronomi framför botanik. När hon senare råkade träffa Eddington, som hon skriver i sin självbiografi, "jag utbröt att jag skulle vilja bli astronom... han svarade som skulle stödja mig genom många avvisningar: 'Jag kan inte se några oöverstigliga invändningar." ” Han engagerade henne i sitt arbete med stjärnstrukturer, men han varnade henne också för att det troligen inte skulle finnas några möjligheter för en kvinnlig astronom i England efter Cambridge.

Nya stränder

Lyckligtvis uppstod en ny möjlighet när Payne-Gaposchkin träffade Harlow Shapley, chef för Harvard College Observatory i Cambridge, Massachusetts, under sitt besök i Storbritannien. Han uppmuntrade hennes ansträngningar och hon fick veta att han påbörjade ett forskarutbildningsprogram i astronomi. Med en lysande rekommendation från Eddington erbjöd Shapley henne ett blygsamt stipendium som forskarstipendiat. 1923 seglade hon till USA för att börja arbeta på en doktorsexamen under Shapleys ledning.

Kvinnor hade länge bidragit till forskningen vid Harvard Observatory. På 1870-talet hade Shapleys föregångare som regissör, ​​Charles Pickering, börjat anställa kvinnor kända som "Harvard-datorerna" (i den ursprungliga betydelsen av en person som gör beräkningar) för att analysera de datalager som observatoriet samlade in. Kvinnor föredrogs eftersom de ansågs vara mer tålmodiga än män för arbete med fina detaljer, och de accepterade lägre löner än män. En del av datorerna anställdes utan vetenskapsbakgrund, men även de med högskoleexamen fick betalt som okvalificerade arbetare med 25–50 cent per timme (se "Universum genom ett glas mörkt").

Harvard Computers var inte oberoende forskare, utan assistenter med tilldelade projekt. Ändå gjorde dessa kvinnor några av de viktigaste bidragen till tidig observationsastronomi. De inkluderade Henrietta Swan Leavitt – känd för sin upptäckt av period-luminositetsförhållandet mellan Cepheidvariabler – och Annie Jump Cannon, som var internationellt erkänd för att ha organiserat stjärnspektra.

Det hade varit känt sedan mitten av 19-talet att varje grundämne producerar ett unikt mönster av spektrallinjer, och att spektra av olika stjärnor visade både likheter och skillnader. Detta antydde att stjärnor kunde klassificeras i grupper, men det fanns lite enighet om hur man bäst skulle göra det.

År 1894 började Cannon projektet att undersöka de stjärnspektra som samlats in vid observatoriet och sätta dem i en användbar ordning. Denna skrämmande uppgift sysselsatte henne i flera år. Spektra från olika stjärnor registrerades på fotografiska glasplattor, med varje bild som inte var mer än en tum lång. Med ett förstoringsglas läste Cannon detaljerna i hundratusentals spektra och sorterade de flesta av dem i sex grupper märkta B, A, F, G, K och M, med en minoritet placerad i grupp O. Systemet var baserat på styrkan hos Balmer-absorptionslinjerna (som beskriver väteatomens spektrallinjeemissioner) och reflekterade spektrala signaturer för särskilda element, såsom metaller i K-stjärnor.

Spektralstudier

Cannon undersökte dock inte de fysiska mekanismerna som orsakade spektra, och hon tog inte heller ut kvantitativ information från dem. I sitt doktorandarbete drog Payne-Gaposchkin på fysiken hon hade lärt sig vid Cambridge för att analysera denna unika cache av data med de senaste teorierna. Ursprunget till spektrallinjer hade fastställts bara ett decennium tidigare 1913 av Niels Bohrs tidiga kvantteori om väteatomen, senare utökad med andra. Dessa teorier gällde neutrala atomer. Payne-Gaposchkins stora insikt var att inse att spektra från exciterade eller joniserade atomer – som skulle uppstå i en stjärnas heta yttre atmosfär – skilde sig från neutrala atomer av samma art.

Relationen mellan temperatur, kvanttillstånden för heta atomer och deras spektrallinjer härleddes 1921 av den indiske fysikern Meghnad Saha. Han kunde inte helt testa sina idéer utan att känna till kvantenerginivåerna för varje element, men dessa mättes när Payne-Gaposchkin började sin forskning. I en massiv ansträngning kombinerade hon de nya uppgifterna med Sahas teori för att helt tolka Cannons stjärnspektra inklusive temperatureffekter. Ett betydande resultat var korrelationen mellan stjärntemperaturer och Cannons kategorier, med resultat som fortfarande används idag: till exempel lyser B-stjärnor vid 20,000 3000 K medan M-stjärnor lyser vid endast 1925 XNUMX K. Detta resultat är en del av Payne-Gaposchkins anmärkningsvärda avhandling från XNUMX Stjärna atmosfärer, togs emot väl, men ett annat resultat i hennes avhandling blev det inte.

Kompositionella gåtor

Payne-Gaposchkin beräknade den relativa förekomsten av varje element som ses i stjärnspektra. För 15 av dem, från litium till barium, var resultaten liknande för olika stjärnor och "visade en slående parallell med jordens sammansättning". Detta stämde överens med tron ​​bland astronomer på den tiden, att stjärnorna var gjorda av samma material som jorden.

Men sedan kom en stor överraskning: hennes analys visade också att väte fanns en miljon gånger mer förekommande än de andra grundämnena. Helium var under tiden tusen gånger rikligare. Slutsatsen att solen nästan helt var gjord av väte fick omedelbart problem med en respekterad extern examinator av hennes avhandling. Det här var Henry Russell, chef för Princeton Observatory och en stark förespråkare för idén att jorden och solen hade samma sammansättning. Russell var imponerad tills han läste hennes resultat för väte. Sedan skrev han till Payne-Gaposchkin att det måste vara något fel med teorin eftersom "Det är helt klart omöjligt att väte skulle finnas en miljon gånger mer rikligt än metallerna."

Utan Russells välsignelse skulle avhandlingen inte accepteras och därför gjorde Payne-Gaposchkin vad hon kände att hon var tvungen att göra. I den slutliga versionen av sin avhandling förnekade hon den delen av sitt arbete genom att skriva "Det enorma överflöd som härrör från [väte och helium] är nästan säkert inte verkligt." Men 1929 publicerade Russell sin egen härledning av stjärnornas överflöd av grundämnen inklusive väte, med en annan metod. Han citerade Payne-Gaposchkins arbete och noterade att hans resultat för alla element inklusive det stora överflöd av väte stämde anmärkningsvärt väl överens med hennes. Utan att säga det direkt bekräftade Russells papper att Payne-Gaposchkins hela analys var korrekt, och att hon var den första som upptäckte att solen mestadels består av väte. Trots det uppgav han aldrig att han ursprungligen hade avvisat det resultatet i hennes avhandling.

Det kan vara så att Russell erbjöd sin kommentar om väte för att varna en ung forskare om att presentation av resultat som strider mot accepterade idéer kan skada hennes karriär. Förmodligen kunde bara en senior forskare av Russells storlek ha övertygat det astronomiska samhället om detta nya fynd. Faktum är att hans senare papper påverkade astronomer mot att acceptera att stjärnor är gjorda av väte till den grad att han fick kredit för upptäckten.

Kraften i Cecilia Payne-Gaposchkins avhandling talar för sig själv. Hennes klara skrivstil, kunskap om ämnet och banbrytande vetenskap lyser igenom

Även utan ordentlig kreditering talar kraften i Payne-Gaposchkins avhandling för sig själv. Hennes klara skrivstil, kunskap om ämnet och banbrytande vetenskap lyser igenom. Shapley lät trycka verket som en monografi och det såldes i 600 exemplar – praktiskt taget bestsellerstatus för en avhandling. Det största berömmet kom nästan 40 år senare, när den framstående astronomen Otto Struve ringde Stjärna atmosfärer "den mest lysande doktorsavhandling som någonsin skrivits inom astronomi".

Om Payne-Gaposchkin hade någon illvilja mot Russell, gav hon inga yttre tecken på det och upprätthöll en personlig relation med honom. I en recension av hans arbete som hon bidrog till ett symposium 1977 som hedrade honom (han dog 1957), kallade hon hans papper från 1929 "epokgörande" utan att hänvisa till hennes eget arbete. Vad hon verkligen ångrade var att hon inte stått bakom sitt resultat. Hennes dotter Katherine Haramundanis skrev att "genom sitt liv beklagade hon det beslutet". I sin självbiografi skrev Payne-Gaposchkin "Jag var skyldig för att inte ha tryckt på min poäng. Jag hade gett efter för Authority när jag trodde att jag hade rätt... Jag noterar det här som en varning till de unga. Om du är säker på dina fakta bör du försvara din ståndpunkt.”

Kämpar mot partiskhet och fördomar

Efter att ha avslutat sin avhandling stannade Payne-Gaposchkin kvar på observatoriet under Shapley, men i en onormal situation. Hon ville fortsätta astrofysisk forskning, men eftersom Shapley betalade henne en (liten) lön som sin "tekniska assistent" kände han att han kunde dirigera henne som om hon vore en Harvard-dator, och han satte henne i arbete med att mäta stjärnornas ljusstyrka - en rutinprojekt som inte engagerade henne mycket. Shapley lät henne också undervisa i forskarkurser, men utan titeln "instruktör", än mindre "professor", och utan att ha sina kurser listade i katalogen. I ett försök att råda bot på detta gick Shapley fram till dekanen och Harvards president abbot Lawrence Lowell, men de vägrade bestämt. Lowell sa till Shapley att Miss Payne (som hon var känd då), "aldrig skulle ha en position vid universitetet så länge han levde".

Sådana könsfördomar påverkade Payne-Gaposchkin i varje skede av hennes karriär. Hennes doktorsexamen (den första i astronomi vid Harvard) var inte tekniskt från Harvard. Shapley hade bett ordföranden för Harvards fysikavdelning att skriva under på avhandlingen, men när Shapley vidarebefordrade till Payne-Gaposchkin vägrade ordföranden att acceptera en kvinnlig kandidat. Istället fick Shapley ordna så att hennes doktorsexamen delas ut av Radcliffe, kvinnoskolan vid Harvard. När han senare började bygga en verklig avdelning för astronomi vid Harvard, var Shapley övertygad om att Payne-Gaposchkin, hans bästa forskare, var väl kvalificerad att fungera som dess första ordförande – men han insåg att Lowell aldrig skulle tillåta det, och så tog han hos en manlig astronom.

Efter decennier av arbete på observatoriet, publicerat böcker och hundratals forskningsartiklar och blivit en eftertraktad instruktör, stannade Payne-Gaposchkin kvar i ett slags karriärskymning – dåligt betald och utan en riktig akademisk position. Detta förändrades först 1954, efter att Shapley gick i pension och Donald Menzel, Russells priselev vid Princeton, blev chef för observatoriet. Han upptäckte hur lilla Payne-Gaposchkin fick betalt och fördubblade sin lön, och gjorde sedan något verkligt betydelsefullt. Med Lowell och hans anti-kvinna partiskhet sedan länge borta (han hade gått i pension 1933), kunde Menzel få Payne-Gaposchkin utsedd till professor i astronomi. Det här var stora nyheter: New York Times rapporterade den 21 juni 1956 att "[Payne-Gaposchkin] är den första kvinnan att uppnå full professur vid Harvard genom regelbunden fakultetsbefordran." Några månader senare blev hon ordförande för astronomiavdelningen, den första kvinnan som ledde en avdelning vid Harvard.

I efterhand var Payne-Gaposchkins karriär eminent framgångsrik med en enastående avhandling, produktiv forskning, utmärkt undervisning och utmärkelse för hennes "första" vid Harvard och andra utmärkelser. Tillsammans med allt sitt akademiska arbete fick hon plats för sitt personliga liv. Hon gifte sig med den ryske emigrantastronomen Sergej Gaposchkin 1934 och uppfostrade tre barn med honom medan hon fortsatte med astronomisk forskning.

Exceptionell körning

I någon mening kan man säga att hon "hade allt" i att kombinera vetenskap med familj och barn, men att ta sig dit var onödigt svårt och ansträngande på grund av partiskhet mot kvinnor. Hon blev professor först vid 56 års ålder, mycket senare än en man med liknande prestationer skulle ha nått den statusen, och efter att ha passerats för avancemang, vilket måste ha tagit en psykologisk vägtull. Endast en person med exceptionell drivkraft och uthållighet, tillsammans med vetenskaplig förmåga, kunde ha uthärdat till det slutgiltiga erkännandet.

I slutändan var Cecilia Payne-Gaposchkin, som dog 1979, en banbrytande vetenskapsman som gjorde fantastiskt arbete under hela sin karriär, men som inte behandlades professionellt under det mesta. De flesta av Harvard-datorerna var anställda snarare än forskare eller doktorander. Medan Shapley gav Payne-Gaposchkin viktiga möjligheter och förstod hur bra en vetenskapsman hon var, behandlade han henne också bara som ytterligare en Harvard-dator, anställd för att stödja sina egna planer för observatoriet. Hon flyttade fram kvinnors position inom astronomi utöver datorernas, men hon stötte fortfarande på barriärer som hindrade henne från att vara den kompletta vetenskapsman hon ville vara, eftersom kvinnor först började uppnå senare på 20-talet. Hennes stjärnarbete förbises ofta och hennes arv glömdes bort, eftersom hon blev en av de många "dolda" kvinnor inom vetenskapen som faktiskt lade grunden inom sina områden. Det är först på senare tid som de betydande bidragen från personer som Payne-Gaposchkin efterskrivs i vetenskapens historia, och hon bör komma ihåg som en viktig övergångsfigur mellan äldre och nyare möjligheter för kvinnor inom vetenskapen.

Posten Cecilia Payne-Gaposchkin: kvinnan som hittade väte i stjärnorna visades först på Fysikvärlden.

• Myntsmart. Europas bästa bitcoin- och kryptobörs.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Kunskap förstärkt. FRI TILLGÅNG.
• CryptoHawk. Altcoin radar. Gratis provperiod.
• Källa: https://physicsworld.com/a/cecilia-payne-gaposchkin-the-woman-who-found-hydrogen-in-the-stars/