Сесілія Пейн-Гапошкін: жінка, яка знайшла водень у зірках

Водень, найпростіший атом, є основним будівельним блоком Всесвіту. Ми знаємо, що він існував незабаром після народження Всесвіту і що він все ще виглядає як значна частина міжзоряного середовища, в якому утворюються зірки. Це також ядерне паливо, завдяки якому зірки випромінюють величезну кількість енергії, коли вони еволюціонують протягом багатьох років, створюючи хімічні елементи.

Але як ми дізналися, що водень є широко поширеним і фундаментальним компонентом Всесвіту? Небагато людей знають, що космічну важливість водню вперше зрозуміла молода докторантка Сесілія Пейн (Пейн-Гапошкін після одруження), яка в 1925 році виявила водень у зірках. Дійсно, вона отримала ступінь доктора філософії в той час, коли це було ще надзвичайно важко для жінок, і зробила проривне дослідження для своєї дисертації. Попри весь успіх її науки, її історія також демонструє бар’єри та сексизм, які заважали жінкам реалізувати свої наукові прагнення та вплинули на їхню кар’єру.

Молодий вчений

Сесілія Пейн народилася у Вендовері, Англія, у 1900 році. Її батько помер, коли їй було чотири роки, але її мати Емма бачила, що у неї є обдарована дитина, яка хоче бути вченим. Емма записала свою доньку до Школи Святого Павла для дівчат у Лондоні, яка була добре обладнана для викладання природничих наук. 17-річна дівчина процвітала там і, як пізніше написала Пейн-Гапошкіна у своїй автобіографії Рука фарбувальника (перепубліковано під заг Сесілія Пейн-Гапошкін: автобіографія та інші спогади), вона підкрадалася до наукової лабораторії для «своєї невеликої служби поклоніння, обожнюючи хімічні елементи».

Її наукова освіта почалася в 1919 році, коли вона вступила Newnham College в Кембриджський університет на стипендію. Там вона вивчала ботаніку, своє перше кохання, а також фізику та хімію – незважаючи на те, що в той час університет не пропонував дипломів жінкам. Тим не менш, це був захоплюючий час для вивчення фізичної науки, оскільки вона поглинала зароджувані галузі квантової механіки та теорії відносності.

У Кембриджі такі люди, як Ернест Резерфорд, досліджували атомний і субатомний світи, а Артур Еддінгтон вивчав будову та розвиток зірок. Дійсно, вчителем фізики Пейна-Гапошкіна був сам Резерфорд, але як єдина жінка в його класі вона зазнала приниження. Тодішні правила університету вимагали, щоб вона сиділа в першому ряду. Як вона розповідає у своїй автобіографії: «На кожній лекції [Резерфорд] пильно дивився на мене… і починав своїм різким голосом:дами і джентльмени». Усі хлопці регулярно зустрічали цю дотепність бурхливими оплесками [і] тупотінням ніг… на кожній лекції мені хотілося, щоб я провалився в землю. До цього дня я інстинктивно займаю своє місце якомога далі в аудиторії».

Натомість Пейн-Гапошкін знайшов натхнення в Еддінгтоні. Майже випадково вона відвідала його лекцію про його експедицію в Західну Африку 1919 року, яка підтвердила загальну теорію відносності Ейнштейна. Це так вразило її, що вона вирішила обрати фізику й астрономію, а не ботаніку. Коли пізніше вона випадково зустріла Еддінгтона, як вона пише у своїй автобіографії, «я випалила, що я хотіла б бути астрономом… він відповів, що мало підтримати мене через багато відмов: «Я не бачу непереборних заперечень». Він залучив її до своєї роботи над зоряними структурами, але також попередив, що після Кембриджа в Англії, ймовірно, не буде жодної можливості для жінки-астронома.

Нові береги

На щастя, нова можливість виникла, коли Пейн-Гапошкін зустрівся з Харлоу Шеплі, директором Обсерваторія Гарвардського коледжу в Кембриджі, штат Массачусетс, під час свого візиту до Великобританії. Він підбадьорив її зусилля, і вона дізналася, що він відкриває аспірантуру з астрономії. Зі схвальною рекомендацією Еддінгтона Шеплі запропонував їй скромну стипендію як наукового співробітника. У 1923 році вона відпливла до США, щоб розпочати роботу над докторською дисертацією під керівництвом Шеплі.

Жінки давно брали участь у дослідженнях Гарвардської обсерваторії. У 1870-х роках попередник Шеплі на посаді директора, Чарльз Пікерінг, почав наймати жінок, відомих як «Гарвардські комп’ютери» (у первісному сенсі людини, яка виконує обчислення), для аналізу даних, які збирала обсерваторія. Жінкам надавали перевагу, оскільки вважалося, що вони більш терплячі, ніж чоловіки, у роботі з дрібними деталями, і вони погоджувалися на нижчу заробітну плату, ніж чоловіки. Деякі з комп’ютерів були найняті без досвіду в науці, але навіть тим, хто мав вищу освіту, платили, як некваліфікованим робітникам, 25–50 центів за годину (див. «Всесвіт крізь скло темно»).

Гарвардські комп’ютери були не незалежними дослідниками, а помічниками з дорученими проектами. Тим не менш, ці жінки зробили одні з найбільш значних вкладів у ранню спостережну астрономію. Серед них Генрієтта Свон Лівітт, відома своїм відкриттям взаємозв’язку між періодом і світністю змінних цефеїд, і Енні Джамп Кеннон, яка отримала міжнародне визнання за організацію зоряних спектрів.

З середини 19 століття було відомо, що кожен елемент виробляє унікальний візерунок спектральних ліній, і що спектри різних зірок демонструють як схожість, так і відмінності. Це свідчить про те, що зірки можна класифікувати на групи, але було мало згоди щодо того, як це найкраще зробити.

У 1894 році Кеннон розпочав проект дослідження зоряних спектрів, зібраних в обсерваторії, і введення їх у корисний порядок. Це надскладне завдання займало її роками. Спектри від різних зірок були записані на скляні фотопластинки, причому кожне зображення не перевищувало дюйма. За допомогою лупи Кеннон прочитав деталі сотень тисяч спектрів і відсортував більшість із них у шість груп, позначених B, A, F, G, K та M, а меншість помістила в групу O. Система базувалася на сила бальмерівських ліній поглинання (які описують випромінювання спектральних ліній атома водню) і відображають спектральні ознаки окремих елементів, таких як метали в K-зірках.

Спектральні дослідження

Кеннон, однак, не досліджувала фізичні механізми, які викликали спектри, і не витягувала з них кількісну інформацію. У своїй докторській роботі Пейн-Гапошкін спиралася на фізику, яку вона вивчала в Кембриджі, щоб проаналізувати цей унікальний кеш даних за допомогою новітніх теорій. Походження спектральних ліній було встановлено лише десятиліттям раніше, у 1913 році, ранньою квантовою теорією атома водню Нільса Бора, яка пізніше була розширена іншими. Ці теорії стосувалися нейтральних атомів. Велике розуміння Пейна-Гапошкіна полягало в тому, що він зрозумів, що спектри збуджених або іонізованих атомів, які трапляються в гарячій зовнішній атмосфері зірки, відрізняються від спектрів нейтральних атомів того самого виду.

Зв'язок між температурою, квантовими станами гарячих атомів і їх спектральними лініями був виведений в 1921 році індійським фізиком Мегнадом Саха. Він не міг повністю перевірити свої ідеї, не знаючи квантових рівнів енергії для кожного елемента, але вони вимірювалися, коли Пейн-Гапошкін розпочала дослідження. Доклавши величезних зусиль, вона поєднала нові дані з теорією Саха, щоб повністю інтерпретувати зоряні спектри Кеннона, включно з температурними ефектами. Одним із важливих результатів стала кореляція зіркових температур із категоріями Кеннона, результати яких використовуються й сьогодні: наприклад, зірки B світяться при 20,000 3000 K, тоді як зірки M світяться лише при 1925 K. Цей результат є частиною видатної дисертації Пейна-Гапошкіна XNUMX року. Зоряні атмосфери, була добре сприйнята, але іншого результату в її дипломній роботі не було.

Композиційні ребуси

Пейн-Гапошкін розрахував відносну кількість кожного елемента, який видно в зоряних спектрах. Для 15 із них, від літію до барію, результати були подібними для різних зірок і «відображали разючу паралель із складом Землі». Це узгоджувалося з уявленнями астрономів того часу, що зірки складаються з того самого матеріалу, що й Земля.

Але потім сталася велика несподіванка: її аналіз також показав, що водень був у мільйон разів більший, ніж інші елементи. Тим часом гелію було в тисячу разів більше. Висновок про те, що Сонце майже повністю складається з водню, негайно викликав проблеми з поважним стороннім експертом її дисертації. Це був Генрі Рассел, директор Прінстонської обсерваторії та рішучий прихильник ідеї, що Земля та Сонце мають однаковий склад. Рассел був вражений, поки не прочитав її результат для водню. Тоді він написав Пейн-Гапошкіну, що з теорією має бути щось не так, оскільки «очевидно неможливо, щоб водень був у мільйон разів більший, ніж метали».

Без благословення Рассела дисертація не була б прийнята, тому Пейн-Гапошкін зробила те, що вважала за потрібне. В остаточній версії своєї дисертації вона відмовилася від цієї частини своєї роботи, написавши: «Величезна кількість [водню та гелію] майже напевно нереальна». Але в 1929 році Рассел опублікував свій власний висновок зоряної кількості елементів, включаючи водень, використовуючи інший метод. Він процитував роботу Пейна-Гапошкіна і зазначив, що його результати для всіх елементів, включаючи велику кількість водню, надзвичайно добре узгоджуються з її результатами. Не кажучи цього прямо, стаття Рассела підтвердила, що весь аналіз Пейн-Гапошкіна був правильним і що вона була першою, хто виявив, що Сонце здебільшого складається з водню. Незважаючи на це, він ніколи не заявляв, що спочатку відхилив цей результат у її дисертації.

Можливо, Рассел запропонував свій коментар щодо водню, щоб попередити молодого вченого, що представлення результатів, які суперечать загальноприйнятим ідеям, може зашкодити її кар’єрі. Ймовірно, лише старший дослідник такого рівня, як Рассел, міг переконати астрономічну спільноту в цій новій знахідці. Справді, його пізніша стаття настільки вплинула на астрономів, що вони визнали, що зірки складаються з водню, аж до того, що йому приписали це відкриття.

Сила тези Сесілії Пейн-Гапошкін говорить сама за себе. Її чіткий стиль письма, володіння предметом і новаторська наука яскраво виділяються

Навіть без належної оцінки, сила тези Пейна-Гапошкіна говорить сама за себе. Її чіткий стиль письма, володіння предметом і новаторська наука яскраво виділяються. Шеплі надрукував цю працю як монографію, і вона розійшлася тиражем у 600 примірників – фактично статус бестселера для дисертації. Найвища оцінка прийшла майже через 40 років, коли подзвонив видатний астроном Отто Струве Зоряні атмосфери «найяскравіша кандидатська дисертація, коли-небудь написана в астрономії».

Якщо Пейн-Гапошкін і мала недоброзичливість до Рассела, то вона не виявляла цього зовнішніх ознак і підтримувала з ним особисті стосунки. У огляді його роботи, який вона внесла на симпозіум 1977 року на його честь (він помер у 1957 році), вона назвала його статтю 1929 року «епохальною», не посилаючись на свою власну роботу. Про що вона дуже шкодувала, так це про те, що не підтримала свій результат. Її донька Кетрін Харамунданіс написала, що «все своє життя вона оплакувала це рішення». У своїй автобіографії Пейн-Гапошкіна написала: «Я була винна в тому, що не наполягала на своєму. Я поступився владі, коли вірив, що був правий… Я зауважую це тут як застереження для молоді. Якщо ви впевнені у своїх фактах, ви повинні відстоювати свою позицію».

Боротьба з упередженнями та упередженнями

Після закінчення дисертації Пейн-Гапошкіна залишилася в обсерваторії під керівництвом Шеплі, але в аномальній ситуації. Вона хотіла продовжувати астрофізичні дослідження, але оскільки Шеплі платив їй (невелику) зарплату як своєму «технічному помічнику», він відчував, що може керувати нею, наче вона була гарвардським комп’ютером, і він доручив їй вимірювати яскравість зірок – рутинний проект, який її не дуже захоплював. Шеплі також доручила їй викладати курси для аспірантів, але без титулу «викладач», не кажучи вже про «професора», і без внесення її курсів до каталогу. Намагаючись виправити це, Шеплі звернувся до декана та президента Гарварду абата Лоуренса Лоуелла, але вони категорично відмовилися. Лоуелл сказав Шеплі, що міс Пейн (як її тоді називали) «ніколи не матиме посади в університеті, поки він живий».

Подібні гендерні упередження впливали на Пейн-Гапошкіну на кожному етапі її кар’єри. Її докторська ступінь (перша з астрономії в Гарварді) технічно не була з Гарварду. Шеплі попросив завідувача фізичного факультету Гарварду підписати дисертацію, але, як Шеплі передав Пейн-Гапошкіну, завідувач відмовився прийняти жінку-кандидата. Натомість Шеплі довелося організувати присудження її доктора філософії Редкліфф, жіночий коледж Гарварду. Коли пізніше він почав будувати справжню кафедру астрономії в Гарварді, Шеплі був переконаний, що Пейн-Гапошкін, його найкращий дослідник, мав достатню кваліфікацію, щоб стати її першим завідувачем, але він зрозумів, що Лоуелл ніколи цього не дозволить, і тому він привів у чоловіка-астронома.

Після десятиліть роботи в обсерваторії, публікації книг і сотень дослідницьких робіт і ставши затребуваним інструктором, Пейн-Гапошкін залишився в певному сутінку кар’єри – погано оплачуваний і без реальної академічної посади. Ситуація змінилася лише в 1954 році, після того, як Шеплі пішов на пенсію, а Дональд Мензел, студент премії Рассела в Прінстоні, став директором обсерваторії. Він виявив, як мало платять Пейн-Гапошкін, і подвоїв її зарплату, а потім зробив щось справді значуще. Оскільки Лоуелл і його антижіночі упередження давно минули (він пішов на пенсію в 1933 році), Менцель зміг добитися призначення Пейн-Гапошкіна повним професором астрономії. Це була велика новина: Нью-Йорк Таймс 21 червня 1956 року повідомила, що «[Пейн-Гапошкін] є першою жінкою, яка досягла повного професора в Гарварді завдяки регулярному просуванню викладачів». Через кілька місяців вона стала головою кафедри астрономії, першою жінкою, яка очолила кафедру в Гарварді.

Оглядаючись назад, можна сказати, що кар’єра Пейн-Гапошкіна була надзвичайно успішною завдяки видатній дисертації, плідним дослідженням, відмінному викладанню та відзнаці за її «вперше» в Гарварді та інші почесті. Поряд з усією науковою роботою вона знайшла місце для свого особистого життя. Вона вийшла заміж за російського астронома-емігранта Сергія Гапошкіна в 1934 році і виростила з ним трьох дітей, поки вона продовжувала астрономічні дослідження.

Винятковий драйв

У певному сенсі можна сказати, що вона «мала все» в поєднанні науки з сім’єю та дітьми, але досягти цього було надто важко і виснажливо через упередженість щодо жінок. Вона стала професором лише у віці 56 років, набагато пізніше, ніж людина з подібними досягненнями досягла б цього статусу, і після того, як її пропустили для підвищення, що, мабуть, мало психологічний вплив. До остаточного визнання могла достояти лише людина з винятковою прагненням і наполегливістю, а також науковими здібностями.

Зрештою, Сесілія Пейн-Гапошкін, яка померла в 1979 році, була вченим-новатором, яка виконувала дивовижну роботу протягом усієї своєї кар’єри, але більшу її частину не мала професійного лікування. Більшість Harvard Computers були співробітниками, а не дослідниками чи аспірантами. Хоча Шеплі надав Пейн-Гапошкін важливі можливості та зрозумів, наскільки вона гарний науковець, він також ставився до неї просто як до ще одного Гарвардського комп’ютера, найнятого для підтримки його власних планів щодо обсерваторії. Вона просунула позицію жінок в астрономії за межі комп’ютерів, але все одно зіткнулася з бар’єрами, які заважали їй стати повноцінним науковцем, яким вона хотіла бути, чого жінки почали досягати лише пізніше у 20 столітті. Її зіркову роботу часто не помічали, а спадщину забували, оскільки вона стала однією з багатьох «прихованих» жінок у науці, які фактично заклали фундамент у своїх галузях. Лише нещодавно значний внесок таких, як Пейн-Гапошкіна, вписується в історію науки, і її слід пам’ятати як ключову перехідну фігуру між старими та новими можливостями для жінок у науці.

Повідомлення Сесілія Пейн-Гапошкін: жінка, яка знайшла водень у зірках вперше з'явився на Світ фізики.

• Coinsmart. Найкраща в Європі біржа біткойн та криптовалют.
• Платоблокчейн. Web3 Metaverse Intelligence. Розширені знання. БЕЗКОШТОВНИЙ ДОСТУП.
• CryptoHawk. Альткойн Радар. Безкоштовне випробування.
• Джерело: https://physicsworld.com/a/cecilia-payne-gaposchkin-the-woman-who-found-hydrogen-in-the-stars/