Cecilia Payne-Gaposchkin: người phụ nữ tìm thấy hydro trong các vì sao

Hydro, nguyên tử đơn giản nhất, là một khối cấu tạo cơ bản của vũ trụ. Chúng ta biết rằng nó đã tồn tại ngay sau khi vũ trụ được sinh ra và nó vẫn xuất hiện như một phần lớn của môi trường giữa các vì sao mà các ngôi sao hình thành. Nó cũng là nhiên liệu hạt nhân giữ cho các ngôi sao tỏa ra một lượng năng lượng khổng lồ khi chúng tiến hóa theo eon để tạo ra các nguyên tố hóa học.

Nhưng làm thế nào chúng ta biết được rằng hydro là một thành phần cơ bản và phổ biến của vũ trụ? Không đủ người biết rằng tầm quan trọng vũ trụ của hydro lần đầu tiên được nắm bắt bởi một nghiên cứu sinh trẻ tuổi, Cecilia Payne (Payne-Gaposchkin sau khi kết hôn), người vào năm 1925 đã phát hiện ra hydro trong các ngôi sao. Thật vậy, cô ấy đã lấy bằng tiến sĩ vào thời điểm mà phụ nữ vẫn còn vô cùng khó khăn để làm điều đó, và đã thực hiện nghiên cứu đột phá cho luận án của mình. Đối với tất cả những thành công của khoa học, câu chuyện của cô cũng thể hiện những rào cản và phân biệt giới tính khiến phụ nữ khó thực hiện khát vọng khoa học và ảnh hưởng đến sự nghiệp của họ trong suốt thời gian qua.

Nhà khoa học trẻ

Cecilia Payne sinh ra ở Wendover, Anh vào năm 1900. Cha cô qua đời khi cô mới 17 tuổi, nhưng mẹ Emma nhận thấy cô có một đứa con có năng khiếu và muốn trở thành một nhà khoa học. Emma đăng ký cho con gái của mình vào Trường Nữ sinh St Paul ở London, nơi được trang bị tốt để giảng dạy khoa học. Cô gái XNUMX tuổi phát triển mạnh ở đó và như Payne-Gaposchkin sau này đã viết trong cuốn tự truyện của mình Bàn tay của thợ nhuộm (đăng lại dưới tiêu đề Cecilia Payne-Gaposchkin: Một cuốn tự truyện và những hồi ức khác), cô ấy sẽ đến phòng thí nghiệm khoa học để “thực hiện một buổi lễ thờ cúng nhỏ của riêng tôi, tôn thờ các nguyên tố hóa học”.

Giáo dục khoa học tiên tiến của cô bắt đầu vào năm 1919 khi cô bước vào Cao đẳng Newnham tại Đại học Cambridge trên một học bổng. Ở đó, cô theo học ngành thực vật học, mối tình đầu của cô, cũng như vật lý và hóa học - mặc dù thực tế là vào thời điểm đó, trường đại học không cấp bằng cho phụ nữ. Tuy nhiên, đó là thời điểm thú vị để nghiên cứu khoa học vật lý vì nó hấp thụ các lĩnh vực sơ khai của cơ học lượng tử và thuyết tương đối.

Tại Cambridge, những người như Ernest Rutherford đang khám phá thế giới nguyên tử và hạ nguyên tử, và Arthur Eddington đang nghiên cứu cấu trúc và sự phát triển của các ngôi sao. Thật vậy, người hướng dẫn vật lý của Payne-Gaposchkin chính là Rutherford, nhưng là người phụ nữ duy nhất trong lớp của anh ấy, cô ấy thấy mình bị sỉ nhục. Quy định của trường đại học vào thời điểm đó bắt buộc cô phải ngồi ở hàng ghế đầu. Khi cô kể lại trong cuốn tự truyện của mình, "Ở mỗi bài giảng [Rutherford] sẽ nhìn chằm chằm vào tôi ... và sẽ bắt đầu bằng giọng stentorian của anh ấy:"quý cô và các quý ông. ' Tất cả các cậu bé thường xuyên chào đón chủ nghĩa phù thủy này bằng những tràng pháo tay như sấm [và] dậm chân… ở mỗi bài giảng, tôi ước mình có thể chìm vào trái đất. Cho đến ngày nay, tôi theo bản năng lùi lại vị trí của mình càng xa càng tốt trong phòng giảng. "

Thay vào đó, Payne-Gaposchkin tìm thấy nguồn cảm hứng ở Eddington. Gần như tình cờ, cô tham dự buổi thuyết trình của ông về chuyến thám hiểm năm 1919 tới Tây Phi đã xác nhận thuyết tương đối rộng của Einstein. Điều này gây ấn tượng với cô ấy đến nỗi cô ấy quyết định chọn vật lý và thiên văn học thay vì thực vật học. Sau đó, khi cô tình cờ gặp Eddington, khi cô viết trong cuốn tự truyện của mình, “Tôi đã thốt lên rằng tôi nên trở thành một nhà thiên văn học… anh ấy đã đưa ra câu trả lời giúp tôi vượt qua nhiều lần bị phản đối: 'Tôi không thể thấy sự phản đối nào không thể giải quyết được.' ”Anh ấy đã mời cô ấy làm công việc của mình về cấu trúc sao, nhưng anh ấy cũng cảnh báo với cô ấy rằng sau Cambridge, rất có thể sẽ không có cơ hội cho một nhà thiên văn nữ ở Anh.

Bờ biển mới

May mắn thay, một khả năng mới nảy sinh khi Payne-Gaposchkin gặp Harlow Shapley, giám đốc của Đài quan sát của Đại học Harvard ở Cambridge, Massachusetts, trong chuyến thăm của ông đến Vương quốc Anh. Anh ấy khuyến khích những nỗ lực của cô ấy và cô ấy biết rằng anh ấy đang thiết lập một chương trình sau đại học về thiên văn học. Với lời đề nghị sáng giá từ Eddington, Shapley đã đề nghị cho cô ấy một khoản tiền lương khiêm tốn với tư cách là một nhà nghiên cứu. Năm 1923, cô lên đường sang Mỹ để bắt đầu làm bằng Tiến sĩ dưới sự chỉ đạo của Shapley.

Phụ nữ từ lâu đã đóng góp vào nghiên cứu tại Đài thiên văn Harvard. Vào những năm 1870, người tiền nhiệm của Shapley với tư cách là giám đốc, Charles Pickering, đã bắt đầu thuê những phụ nữ được gọi là “Máy tính Harvard” (theo nghĩa ban đầu là người tính toán) để phân tích kho dữ liệu mà đài quan sát thu thập được. Phụ nữ được ưa thích hơn vì họ được cho là kiên nhẫn hơn nam giới đối với công việc liên quan đến chi tiết nhỏ và họ chấp nhận mức lương thấp hơn nam giới. Một số máy tính được thuê mà không có kiến ​​thức về khoa học, nhưng ngay cả những người có bằng đại học cũng được trả như lao động phổ thông với mức 25–50 xu mỗi giờ (xem “Vũ trụ qua một tấm kính tối tăm").

Máy tính Harvard không phải là nhà nghiên cứu độc lập, mà là trợ lý cho các dự án được giao. Tuy nhiên, những người phụ nữ này đã có một số đóng góp quan trọng nhất cho thiên văn học quan sát ban đầu. Họ bao gồm Henrietta Swan Leavitt - nổi tiếng với khám phá về mối quan hệ độ sáng theo chu kỳ của các biến Cepheid - và Annie Jump Cannon, người được quốc tế công nhận về việc tổ chức quang phổ sao.

Từ giữa thế kỷ 19, người ta đã biết rằng mỗi nguyên tố tạo ra một dạng vạch quang phổ độc nhất vô nhị, và quang phổ của các ngôi sao khác nhau cho thấy cả điểm giống và khác nhau. Điều này gợi ý rằng các ngôi sao có thể được phân loại thành các nhóm, nhưng có rất ít sự thống nhất về cách tốt nhất để làm như vậy.

Năm 1894, Cannon bắt đầu dự án kiểm tra quang phổ sao thu được tại đài quan sát và sắp xếp chúng vào một trật tự hữu ích. Nhiệm vụ khó khăn này đã chiếm lấy cô trong nhiều năm. Quang phổ từ các ngôi sao khác nhau được ghi lại trên các tấm kính ảnh, với mỗi ảnh dài không quá một inch. Với kính lúp, Cannon đọc chi tiết của hàng trăm nghìn quang phổ và sắp xếp hầu hết chúng thành sáu nhóm có nhãn B, A, F, G, K và M, với một thiểu số được xếp vào nhóm O. Hệ thống dựa trên cường độ của các vạch hấp thụ Balmer (mô tả sự phát xạ vạch phổ của nguyên tử hydro) và phản ánh các dấu hiệu quang phổ của các nguyên tố cụ thể, chẳng hạn như kim loại trong K sao.

Nghiên cứu quang phổ

Tuy nhiên, Cannon đã không thăm dò các cơ chế vật lý gây ra quang phổ, và cô ấy cũng không trích xuất thông tin định lượng từ chúng. Trong công việc tiến sĩ của mình, Payne-Gaposchkin đã dựa trên vật lý mà cô đã học ở Cambridge để phân tích bộ nhớ cache dữ liệu độc đáo này với những lý thuyết mới nhất. Nguồn gốc của các vạch quang phổ đã được xác lập chỉ một thập kỷ trước đó vào năm 1913 bởi lý thuyết lượng tử ban đầu của Niels Bohr về nguyên tử hydro, sau đó được mở rộng bởi những người khác. Những lý thuyết này áp dụng cho các nguyên tử trung hòa. Cái nhìn sâu sắc của Payne-Gaposchkin là đánh giá cao quang phổ từ các nguyên tử bị kích thích hoặc ion hóa - chẳng hạn như sẽ xuất hiện trong bầu khí quyển nóng bên ngoài của một ngôi sao - khác với quang phổ của các nguyên tử trung tính cùng loài.

Mối quan hệ giữa nhiệt độ, trạng thái lượng tử của các nguyên tử nóng và các vạch quang phổ của chúng được nhà vật lý người Ấn Độ Meghnad Saha đưa ra vào năm 1921. Anh ta không thể kiểm tra đầy đủ ý tưởng của mình nếu không biết các mức năng lượng lượng tử cho từng nguyên tố, nhưng chúng được đo khi Payne-Gaposchkin bắt đầu nghiên cứu. Trong một nỗ lực lớn, cô đã kết hợp dữ liệu mới với lý thuyết của Saha để giải thích đầy đủ quang phổ sao của Cannon bao gồm cả hiệu ứng nhiệt độ. Một kết quả quan trọng là mối tương quan của nhiệt độ sao với các loại của Cannon, với kết quả vẫn được sử dụng cho đến ngày nay: ví dụ, sao B phát sáng ở 20,000 K trong khi sao M chỉ phát sáng ở 3000 K. Kết quả này, một phần trong luận án đáng chú ý năm 1925 của Payne-Gaposchkin Khí quyển sao, đã được đón nhận nhưng một kết quả khác trong luận án của cô ấy thì không.

Câu hỏi hóc búa tổng hợp

Payne-Gaposchkin đã tính toán mức độ phong phú tương đối của từng nguyên tố được nhìn thấy trong quang phổ sao. Đối với 15 trong số chúng, từ liti đến bari, kết quả tương tự đối với các ngôi sao khác nhau và “hiển thị một điểm song song nổi bật với thành phần của Trái đất”. Điều này đồng ý với niềm tin của các nhà thiên văn học vào thời điểm đó, rằng các ngôi sao được tạo ra từ những thứ tương tự như Trái đất.

Nhưng sau đó, một bất ngờ lớn: phân tích của cô ấy cũng cho thấy rằng hydro dồi dào hơn một triệu lần so với các nguyên tố khác. Trong khi đó, Helium lại dồi dào hơn hàng nghìn lần. Kết luận rằng Mặt Trời được tạo ra gần như hoàn toàn bằng hydro ngay lập tức gặp rắc rối với một giám định viên bên ngoài được kính trọng đối với luận án của cô. Đây là Henry Russell, giám đốc Đài thiên văn Princeton và là người ủng hộ mạnh mẽ ý tưởng rằng Trái đất và Mặt trời có cùng thành phần. Russell đã rất ấn tượng cho đến khi anh ấy đọc kết quả của cô ấy về hydro. Sau đó, ông viết thư cho Payne-Gaposchkin rằng chắc chắn có điều gì đó không ổn với lý thuyết này bởi vì “Rõ ràng là không thể có hiđro dồi dào hơn kim loại một triệu lần”.

Nếu không có sự phù hộ của Russell, luận án sẽ không được chấp nhận và vì vậy Payne-Gaposchkin đã làm những gì cô cảm thấy phải làm. Trong phiên bản cuối cùng của luận án, cô đã từ chối phần công việc của mình bằng cách viết "Sự phong phú khổng lồ có nguồn gốc từ [hydro và heli] gần như chắc chắn là không có thật." Nhưng vào năm 1929, Russell đã công bố cách tính của riêng ông về sự phong phú của các nguyên tố trong đó có hydro, sử dụng một phương pháp khác. Ông trích dẫn công trình của Payne-Gaposchkin và lưu ý rằng kết quả của ông đối với tất cả các nguyên tố bao gồm lượng hydro dồi dào rất đồng ý với bà. Không nói trực tiếp như vậy, bài báo của Russell xác nhận rằng toàn bộ phân tích của Payne-Gaposchkin là đúng, và cô ấy là người đầu tiên phát hiện ra rằng Mặt trời chủ yếu được tạo ra từ hydro. Mặc dù vậy, anh ta chưa bao giờ nói rằng anh ta ban đầu đã bác bỏ kết quả đó trong luận án của cô.

Có thể Russell đưa ra nhận xét của mình về hydro để cảnh báo một nhà khoa học trẻ rằng việc trình bày kết quả trái ngược với những ý tưởng đã được chấp nhận có thể làm tổn hại đến sự nghiệp của cô ấy. Có lẽ chỉ một nhà nghiên cứu cấp cao về tầm vóc của Russell mới có thể thuyết phục được cộng đồng thiên văn về phát hiện mới này. Thật vậy, bài báo sau này của ông đã ảnh hưởng đến các nhà thiên văn học về việc chấp nhận rằng các ngôi sao được tạo ra từ hydro đến mức ông được ghi nhận là người đã phát hiện ra.

Sức mạnh của luận điểm của Cecilia Payne-Gaposchkin đã tự nói lên điều đó. Phong cách viết sáng suốt, mệnh lệnh chủ đề và khoa học tiên phong của cô ấy đã tỏa sáng

Ngay cả khi không có tín dụng thích đáng, sức mạnh của luận điểm của Payne-Gaposchkin đã tự nó nói lên điều đó. Phong cách viết sáng suốt của cô ấy, chỉ huy của chủ đề và khoa học tiên phong tỏa sáng. Shapley đã in tác phẩm dưới dạng chuyên khảo và nó đã bán được 600 bản - trạng thái hầu như bán chạy nhất cho một luận văn. Sự khen ngợi cao nhất đến gần 40 năm sau đó, khi nhà thiên văn học xuất sắc Otto Struve gọi Khí quyển sao "Luận án Tiến sĩ xuất sắc nhất từng được viết về thiên văn học".

Nếu Payne-Gaposchkin có bất kỳ ác ý nào đối với Russell, cô ấy sẽ không biểu hiện ra bên ngoài và duy trì mối quan hệ cá nhân với anh ta. Trong một bài đánh giá về công việc của ông mà bà đã đóng góp cho hội nghị chuyên đề năm 1977 tôn vinh ông (ông mất năm 1957), bà gọi bài báo năm 1929 của ông là "kỷ nguyên tạo" mà không đề cập đến tác phẩm của chính bà. Điều cô thực sự hối tiếc là cô đã không đứng sau kết quả của mình. Con gái của bà, Katherine Haramundanis đã viết rằng “trong suốt cuộc đời, bà đã than thở về quyết định đó”. Trong cuốn tự truyện của mình, Payne-Gaposchkin viết “Tôi thật đáng trách vì đã không nhấn mạnh quan điểm của mình. Tôi đã nhượng bộ Quyền lực khi tôi tin rằng mình đúng… Tôi ghi lại điều đó ở đây như một lời cảnh báo cho những người trẻ tuổi. Nếu bạn chắc chắn về sự thật của mình, bạn nên bảo vệ lập trường của mình ”.

Chiến đấu với thành kiến ​​và thành kiến

Sau khi hoàn thành luận án của mình, Payne-Gaposchkin ở lại đài quan sát dưới sự chỉ đạo của Shapley, nhưng trong một tình huống bất thường. Cô ấy muốn tiếp tục nghiên cứu vật lý thiên văn, nhưng vì Shapley trả cho cô ấy một khoản lương (nhỏ) với tư cách là “trợ lý kỹ thuật” của anh ấy, anh ấy cảm thấy mình có thể hướng dẫn cô ấy như thể cô ấy là Máy tính Harvard, và anh ấy đã đưa cô ấy vào công việc đo độ sáng của các ngôi sao - a dự án thông thường không thu hút nhiều sự tham gia của cô ấy. Shapley cũng nhờ cô ấy giảng dạy các khóa học sau đại học, nhưng không có chức danh “người hướng dẫn”, chứ đừng nói đến “giáo sư”, và không có các khóa học của cô ấy được liệt kê trong danh mục. Trong một nỗ lực để khắc phục điều này, Shapley đã tiếp cận trưởng khoa và hiệu trưởng trường Harvard, ông Lawrence Lowell, nhưng họ kiên quyết từ chối. Lowell nói với Shapley rằng cô Payne (như cô ấy đã được biết đến lúc đó), “sẽ không bao giờ có một vị trí trong trường Đại học chừng nào anh ấy còn sống”.

Thành kiến ​​về giới tính như thế này đã ảnh hưởng đến Payne-Gaposchkin ở mọi giai đoạn trong sự nghiệp của cô. Tiến sĩ của cô ấy (người đầu tiên về thiên văn học tại Harvard) không phải từ Harvard về mặt kỹ thuật. Shapley đã yêu cầu chủ nhiệm khoa vật lý của Harvard ký tên vào luận án, nhưng khi Shapley chuyển tiếp cho Payne-Gaposchkin, chủ tịch đã từ chối chấp nhận một ứng cử viên nữ. Thay vào đó, Shapley phải thu xếp để được cấp bằng Tiến sĩ của cô Radcliffe, trường đại học dành cho nữ ở Harvard. Sau này, khi ông bắt đầu xây dựng một khoa thiên văn học thực sự tại Harvard, Shapley tin rằng Payne-Gaposchkin, nhà nghiên cứu giỏi nhất của ông, đủ tiêu chuẩn để đảm nhiệm vị trí chủ tịch đầu tiên của nó - nhưng ông nhận ra rằng Lowell sẽ không bao giờ cho phép điều đó, và vì vậy ông đã đưa trong một nhà thiên văn học nam.

Sau nhiều thập kỷ làm việc tại đài thiên văn, xuất bản sách và hàng trăm bài báo nghiên cứu và trở thành một người hướng dẫn được săn đón, Payne-Gaposchkin vẫn ở trong tình trạng chập chững trong sự nghiệp - được trả lương thấp và không có một vị trí học vấn thực sự. Điều này chỉ thay đổi vào năm 1954, sau khi Shapley nghỉ hưu và Donald Menzel, sinh viên đoạt giải của Russell tại Princeton, trở thành giám đốc của đài thiên văn. Anh ta phát hiện ra Payne-Gaposchkin được trả ít như thế nào và tăng gấp đôi lương của cô ấy, và sau đó làm được điều gì đó thực sự quan trọng. Khi Lowell và thành kiến ​​chống phụ nữ của ông đã biến mất từ ​​lâu (ông đã nghỉ hưu vào năm 1933), Menzel có thể được Payne-Gaposchkin bổ nhiệm làm giáo sư thiên văn học. Đây là một tin lớn: Bán Chạy Nhất của Báo New York Times báo cáo vào ngày 21 tháng 1956 năm XNUMX rằng “[Payne-Gaposchkin] là phụ nữ đầu tiên đạt được học vị giáo sư đầy đủ tại Harvard thông qua việc thăng chức giảng viên thường xuyên.” Vài tháng sau, bà trở thành chủ nhiệm khoa thiên văn học, là người phụ nữ đầu tiên đứng đầu một khoa tại Harvard.

Nhìn lại, sự nghiệp của Payne-Gaposchkin đã thành công rực rỡ với một luận văn xuất sắc, nghiên cứu phong phú, giảng dạy xuất sắc và sự xuất sắc cho “lần đầu tiên” của cô tại Harvard và các danh hiệu khác. Cùng với tất cả công việc học tập của mình, cô ấy đã tìm thấy chỗ cho cuộc sống cá nhân của mình. Cô kết hôn với nhà thiên văn học người Nga Sergei Gaposchkin vào năm 1934 và cùng với anh ta nuôi ba người con trong khi cô tiếp tục nghiên cứu thiên văn.

Lái xe đặc biệt

Ở khía cạnh nào đó, người ta có thể nói cô ấy “có tất cả” trong việc kết hợp khoa học với gia đình và trẻ em, nhưng để đạt được điều đó thật khó khăn và mệt mỏi một cách không cần thiết vì thành kiến ​​với phụ nữ. Cô ấy trở thành một giáo sư chính thức chỉ ở tuổi 56, muộn hơn nhiều so với một người đàn ông có thành tích tương tự có thể đạt đến địa vị đó, và sau khi được bổ nhiệm để thăng tiến, điều này hẳn đã phải gánh chịu một tổn thất về mặt tâm lý. Chỉ một người có động lực và sự bền bỉ đặc biệt, cùng với khả năng khoa học, mới có thể chịu đựng cho đến khi được công nhận cuối cùng.

Cuối cùng, Cecilia Payne-Gaposchkin, qua đời năm 1979, là một nhà khoa học tiên phong đã làm được những công việc đáng kinh ngạc trong suốt sự nghiệp của mình, nhưng hầu hết không được đối xử chuyên nghiệp. Hầu hết các Máy tính Harvard là nhân viên, thay vì các nhà nghiên cứu hoặc nghiên cứu sinh. Trong khi Shapley trao cho Payne-Gaposchkin những cơ hội quan trọng và hiểu cô ấy là một nhà khoa học giỏi như thế nào, anh ấy cũng coi cô ấy đơn thuần như một máy tính Harvard khác, được thuê để hỗ trợ các kế hoạch của riêng anh ấy cho đài quan sát. Cô đã nâng cao vị thế của phụ nữ trong thiên văn học vượt xa vị trí của máy tính, nhưng cô vẫn gặp phải những rào cản khiến cô không thể trở thành nhà khoa học hoàn chỉnh mà cô muốn trở thành, vì phụ nữ chỉ bắt đầu đạt được vào cuối thế kỷ 20. Công việc xuất sắc của cô thường bị bỏ qua và di sản của cô bị lãng quên, khi cô trở thành một trong nhiều phụ nữ “ẩn mình” trong khoa học, những người thực sự đặt nền móng cho các lĩnh vực của họ. Chỉ gần đây, những đóng góp đáng kể của Payne-Gaposchkin mới được đưa vào lịch sử khoa học, và cô ấy nên được ghi nhớ như một nhân vật chuyển tiếp quan trọng giữa khả năng cũ và mới hơn cho phụ nữ trong khoa học.

Các bài viết Cecilia Payne-Gaposchkin: người phụ nữ tìm thấy hydro trong các vì sao xuất hiện đầu tiên trên Thế giới vật lý.

• Coinsmart. Sàn giao dịch Bitcoin và tiền điện tử tốt nhất Châu Âu.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Khuếch đại kiến ​​thức. TRUY CẬP MIỄN PHÍ.
• CryptoHawk. Radar Altcoin. Dùng thử miễn phí.
• Nguồn: https://physicsworld.com/a/cecilia-payne-gaposchkin-the-woman-who-found-hydrogen-in-the-stars/