Сесилия Пейн-Гапошкин: Жената, която откри водорода в звездите

Сесилия Пейн-Гапошкин променя астрономията, като открива, че звездите са изградени основно от водород.

Водородът, най-простият атом, е основен градивен елемент на Вселената. Знаем, че е съществувал още скоро след раждането на Вселената и че все още представлява голяма част от междузвездната среда, в която се формират звездите. Той е и ядреното гориво, което кара звездите да излъчват огромни количества енергия, докато еволюират в продължение на еони и създават химичните елементи.

Но как разбрахме, че водородът е широко разпространен и фундаментален компонент на Вселената? Малко хора знаят, че космическото значение на водорода е било разбрано за първи път от млада докторантка – Сесилия Пейн (по-късно Пейн-Гапошкин след брака си), която през 1925 г. открива водород в звездите. Тя защитава докторска степен в епоха, когато това е било изключително трудно за жени, и извършва пробив в науката още с дисертацията си. Въпреки научния ѝ успех нейната история показва бариерите и сексизма, които затрудняват реализацията на жените в науката и влияят на кариерите им дълго време.

Първи стъпки в науката

Сесилия Пейн е родена през 1900 г. в Уендовър, Англия. Баща ѝ умира, когато тя е едва четиригодишна, но майка ѝ Ема забелязва, че има даровито дете с амбиция да стане учен. Ема я записва в Училището за момичета „Сейнт Пол“ в Лондон, което е добре оборудвано за преподаване на различни науки. Сесилия процъфтява там. Както пише по-късно в автобиографията си The Dyer’s Hand (преиздадена под заглавието „Сесилия Пейн-Гапошкин: Автобиография и други спомени“), тя се промъквала в научната лаборатория за „малка служба по обожание, възхвалявайки химичните елементи“.

Висшето ѝ научно образование започва през 1919 г., когато постъпва в Нюнам Колидж в Кеймбриджкия университет със стипендия. Там изучава ботаника – първата ѝ любов – както и физика и химия, въпреки че университетът тогава не присъжда дипломи на жени. Въпреки това, това е вълнуващ период за физическите науки, тъй като новите области на квантовата механика и теорията на относителността навлизат в академичния свят.

В Кеймбридж учени като Ърнест Ръдърфорд изследват атомния и субатомния свят, а Артър Едингтън изучава структурата и развитието на звездите. Всъщност, преподавателят по физика на Пейн е самият Ръдърфорд, но като единствената жена в класа, тя често е унижавана. Университетските разпоредби изискват да седи на първия ред. Както пише тя в автобиографията си: „На всяка лекция [Ръдърфорд] ме гледаше настойчиво... и започваше с мощен глас: ‘Дами и господа.’ Момчетата неизменно приветстваха този остроумник с бурни аплодисменти и тропане с крака… на всяка лекция исках да потъна в земята. И до днес инстинктивно сядам възможно най-отзад в зала.“

Вместо това, вдъхновението ѝ идва от Едингтън. Почти случайно тя посещава негова лекция за експедицията му в Западна Африка през 1919 г., с която потвърждава теорията на Айнщайн за общата относителност. Това я впечатлява дотолкова, че решава да изостави ботаниката и да избере физиката и астрономията. По-късно, когато случайно се среща с Едингтън, както разказва в автобиографията си, „несъзнателно изплюх, че бих искала да стана астроном… той отвърна с нещо, което ме поддържаше след множество разочарования: ‘Не виждам непреодолими пречки.’“ Той я включва в своята работа по звездните структури, но я предупреждава, че след Кеймбридж вероятно няма да има възможности за жена астроном в Англия.

Нови хоризонти

За щастие, се появява нова възможност, когато Сесилия Пейн се запознава с Харлоу Шапли – директор на Астрономическата обсерватория към Харвард Колидж в Кеймбридж, Масачузетс – по време на негово посещение във Великобритания. Той насърчава усилията ѝ и тя научава, че той планира създаването на магистърска програма по астрономия. Със силна препоръка от Едингтън, Шапли ѝ предлага скромна стипендия като научен сътрудник. През 1923 г. тя отплава за САЩ, за да започне работа по докторската си степен под ръководството на Шапли.

Жените вече отдавна допринасят за изследванията в обсерваторията на Харвард. Още през 1870-те години предшественикът на Шапли – Чарлз Пикъринг – започва да наема жени, известни като „компютри на Харвард“ (в буквалния смисъл – хора, извършващи изчисления), за анализ на огромното количество астрономически данни, събрани от обсерваторията. Жените се предпочитат, защото се смятат за по-търпеливи и, разбира се, защото получават по-ниски заплати от мъжете. Някои от тях са наемани без специализирано научно образование, а дори и тези с висше образование са третирани като неквалифицирани работници – с почасови ставки между 25 и 50 цента.

Компютрите на Харвард не са били самостоятелни изследователи, а помощници с възложени задачи. И все пак, някои от тях правят едни от най-съществените приноси в ранната наблюдателна астрономия. Сред тях са Хенриета Суон Левит – известна с откриването на връзката между периода и светимостта на променливите звезди от тип Цефеида – и Ани Джъмп Кенън, която получава международно признание за систематизирането на звездните спектри.

Още от средата на XIX век е известно, че всеки химичен елемент създава уникална картина от спектрални линии, а спектрите на различни звезди показват както прилики, така и разлики. Това подсказва, че звездите могат да бъдат групирани, но няма единно мнение как най-добре да се направи това.

През 1894 г. Кенън започва мащабен проект по сортиране на звездните спектри, събрани в обсерваторията, в логичен ред. Тази трудоемка задача ѝ отнема години. Спектрите са заснети върху стъклени фотографски пластини, като всяко изображение е с дължина не повече от 2.5 см. С помощта на лупа, Кенън анализира стотици хиляди спектри и ги класифицира в шест основни групи: B, A, F, G, K и M, с малка част в група O. Системата се базира на силата на линиите на поглъщане на Балмер – спектрални линии на водорода – и отразява характерните подписи на различни елементи, като например металите в звездите от клас K.

Спектрални изследвания

Ани Джъмп Кенън обаче не изследва физическите механизми, които причиняват спектралните линии, нито извлича количествени данни от тях. В докторската си работа Сесилия Пейн-Гапошкин прилага знанията си по физика, придобити в Кеймбридж, за да анализира това уникално хранилище на спектрални данни с помощта на най-новите теории. Произходът на спектралните линии е установен едва десетилетие по-рано, през 1913 г., чрез ранната квантова теория на Нилс Бор за водородния атом, която по-късно е разширена от други учени. Тези теории обясняват поведението на неутрални атоми. Великият пробив на Пейн-Гапошкин е в разбирането, че спектрите на възбудени или йонизирани атоми – каквито се срещат в горещата външна атмосфера на звездите – се различават от спектрите на неутрални атоми от същия елемент.

Връзката между температурата, квантовите състояния на нагретите атоми и спектралните линии е формулирана през 1921 г. от индийския физик Мегнад Саха. Той не може напълно да тества теорията си поради липсата на данни за квантовите енергийни нива на елементите, но по времето, когато Пейн-Гапошкин започва своето изследване, тези данни вече започват да се появяват. С неимоверно усилие тя комбинира новите данни с теорията на Саха и интерпретира звездните спектри на Кенън, включително температурните им ефекти.

Един от значимите резултати от тази работа е свързването на звездните температури с класификационната система на Кенън – резултат, който продължава да се използва и днес. Например, звездите от клас B светят при температура около 20 000 K, а тези от клас M – едва при 3000 K. Този резултат е част от забележителната докторска дисертация на Пейн-Гапошкин от 1925 г., озаглавена Stellar Atmospheres („Звездни атмосфери“), която е приета много добре. Но друг резултат от дисертацията ѝ предизвиква противоречия.

Проблеми със състава

Пейн-Гапошкин изчислява относителното количество на всеки елемент в спектрите на звездите. За 15 елемента – от литий до барий – резултатите са сходни при различни звезди и „показват поразителна прилика със състава на Земята“. Това съвпада с тогавашното вярване сред астрономите, че звездите и Земята са съставени от едни и същи елементи.

Но тогава идва голямата изненада: нейният анализ показва, че водородът е около един милион пъти по-изобилен от всички останали елементи. Хелият – около хиляда пъти повече. Заключението, че Слънцето е изградено почти изцяло от водород, веднага предизвиква възражения от външния рецензент на дисертацията – уважавания астроном Хенри Ръсел, директор на обсерваторията в Принстън. Първоначално впечатлен, той се отдръпва, когато вижда изчислението за водорода. В писмо до Пейн-Гапошкин той пише, че „очевидно е невъзможно водородът да е милион пъти по-изобилен от металите“.

Без одобрението на Ръсел дисертацията няма да бъде приета. Затова Пейн-Гапошкин прави компромис. В крайния ѝ вариант тя се отказва от заключението си, като пише: „Огромното изобилие, изведено за [водорода и хелия], почти сигурно не е реално.“ Но през 1929 г. самият Ръсел публикува собствено изследване на състава на звездите, използвайки различен метод. Той цитира работата на Пейн-Гапошкин и отбелязва, че резултатите му напълно съвпадат с нейните – включително голямото изобилие на водород. Без да го казва директно, неговата публикация потвърждава, че Пейн-Гапошкин е била права и първа е открила, че Слънцето е съставено предимно от водород. Но той никога не признава, че първоначално е отхвърлил това нейно откритие.

Възможно е Ръсел да е направил това, за да предупреди младата изследователка, че резултати, които противоречат на утвърдените възгледи, могат да навредят на кариерата ѝ. Вероятно само учен с авторитета на самия Ръсел би могъл да убеди астрономическата общност в такава революционна идея. И наистина, неговата по-късна статия насочва общността към факта, че звездите са съставени основно от водород – и той е признат за това откритие.

Силата на дисертацията

Дори и без официално признание силата на дисертацията на Сесилия Пейн-Гапошкин говори сама за себе си. Нейният ясен стил, задълбоченото ѝ разбиране на предмета и пионерският ѝ научен принос безспорно изпъкват. Харлоу Шапли отпечатва труда ѝ като самостоятелна монография, която продава 600 копия – практически бестселър за дисертация. Най-високата оценка идва почти 40 години по-късно, когато прочутият астроном Ото Струве я нарича „най-блестящата докторска дисертация, писана някога в астрономията“.

Ако Пейн-Гапошкин е таила лоши чувства към Ръсел, никога не ги е показвала открито. Поддържа лични отношения с него и дори в обзор на неговата работа, който пише за симпозиум в негова чест през 1977 г. (Ръсел умира през 1957 г.), тя нарича статията му от 1929 г. „епохална“, без да споменава собствената си работа. Това, което наистина съжалява, е, че не е отстоявала собствените си резултати. Дъщеря ѝ, Катрин Харамунданис, пише, че „през целия си живот съжаляваше за това решение“. В автобиографията си Пейн-Гапошкин казва: „Аз съм виновна, че не настоях. Отстъпих пред авторитета, въпреки че бях сигурна, че съм права… Записвам това тук като предупреждение към младите: ако сте сигурни в фактите си, трябва да защитавате позицията си.“

Борба с предразсъдъци и дискриминация

След защитата на дисертацията си Пейн-Гапошкин остава да работи в обсерваторията под ръководството на Шапли, но в неясен и несправедлив статут. Иска да продължи с астрофизични изследвания, но понеже Шапли ѝ плаща (малка) заплата като „технически асистент“, той я третира по-скоро като компютър, а не като самостоятелен изследовател. Поставя я да измерва яркостта на звезди – рутинна задача, която не я вдъхновява особено. Шапли ѝ възлага и преподавателска дейност в магистърски курсове, но без титлата „преподавател“, камо ли „професор“, и без курсовете ѝ да бъдат вписани в каталога.

Шапли прави опит да поправи това, като се обръща към декана и президента на Харвард – Абът Лорънс Лоуъл. Но те категорично отказват. Лоуъл заявява на Шапли, че госпожица Пейн (както я наричат тогава) „никога няма да заема длъжност в университета, докато той е жив“.

Подобни полови предразсъдъци бележат всяка стъпка от кариерата ѝ. Нейният докторат (първият по астрономия, защитен в Харвард) технически не е от самия университет. Шапли иска председателят на катедрата по физика в Харвард да го одобри, но както Шапли ѝ предава, той отказва да приеме жена кандидат. Затова се налага дипломата ѝ да бъде издадена от Радклиф – женския колеж към Харвард. По-късно, когато Шапли започва изграждане на истинска катедра по астрономия, той е убеден, че Пейн-Гапошкин е най-достойният избор за неин ръководител – но знае, че Лоуъл никога няма да го позволи. Вместо това назначава мъж астроном.

В продължение на десетилетия, въпреки книгите, стотиците научни статии и добрата си преподавателска репутация, Пейн-Гапошкин остава в сянка – с ниска заплата и без реална академична позиция. Това се променя едва през 1954 г., когато Шапли се пенсионира, а Доналд Менцъл – любим ученик на Ръсел – поема ръководството на обсерваторията. Той е шокиран от мизерното ѝ възнаграждение, удвоява заплатата ѝ и предприема още по-съществена стъпка. С Лоуъл вече извън играта (пенсиониран през 1933 г.), Менцъл успява да направи Пейн-Гапошкин пълноправен професор по астрономия.

Това е голяма новина: на 21 юни 1956 г. New York Times съобщава, че Пейн-Гапошкин „е първата жена, получила пълна професура в Харвард чрез вътрешно повишение“. Само няколко месеца по-късно тя става ръководител на катедрата по астрономия – първата жена, оглавяваща катедра в Харвард.

Изключителна упоритост

От гледна точка на историята, кариерата на Сесилия Пейн-Гапошкин изглежда блестяща: забележителна дисертация, продуктивни изследвания, отлично преподаване, първите академични титли за жена в Харвард и редица други отличия. Но пътят дотам е бил ненужно труден и изтощителен поради дискриминацията срещу жените.

Тя получава титлата „професор“ едва на 56 години – много по-късно, отколкото мъж с нейните постижения би достигнал до такава позиция. Отлаганията и пренебреженията със сигурност са ѝ нанесли и лична психологическа цена. Само човек с изключителна упоритост и решителност – наред с научна дарба – би могъл да издържи толкова дълго, докато най-накрая получи признание.

Сесилия Пейн-Гапошкин умира през 1979 г. Тя е пионер в науката, която прави удивителни открития през цялата си кариера, но въпреки това рядко е била третирана професионално като равностоен учен. Повечето от жените, работили като „компютри“ в Харвард, са били по-скоро служителки, отколкото истински изследователи или докторанти. Макар Шапли да ѝ дава възможност да развива своите идеи и е оценявал таланта ѝ, в практиката той я е използвал главно като помощен кадър в изпълнение на собствените си цели за обсерваторията.

Пейн-Гапошкин издига жените в астрономията на ново ниво – отвъд ролята на помощници – но все пак се сблъсква с бариери, които ѝ пречат да бъде пълноценният учен, какъвто би могла да бъде, ако беше мъж. Това става възможно за жените едва по-късно – през втората половина на XX век. Дълго време работата ѝ остава пренебрегната, а наследството ѝ – забравено. Тя става една от многото „невидими“ жени в науката, които всъщност полагат основите на цели направления.

Едва през последните десетилетия значимите ѝ приноси започват да се вписват постфактум в историята на науката. Сесилия Пейн-Гапошкин трябва да бъде запомнена като ключова фигура в прехода между миналото, в което жените са били изключени от науката, и бъдещето, в което най-после започват да намират своето място.