Астрономія є найдавнішою наукою, а небо залишається нашим першим лабораторієм. Ще до виникнення письма, люди створювали кам’яні кола, щоб зафіксувати перші промені сонця в день літнього сонцестояння, малювали місячні календарі на кістках та вплітали планети в свої міфи. З часом ми навчилися вимірювати небесні тіла, і в 16 столітті революція Коперника переписала наше розуміння місця світу у Всесвіті. Проте, незважаючи на тисячолітні спостереження астрономів, саме жінка вперше змогла справді оволодіти знаннями про зірки.
Цецилія Пейн-Гапошкін
Цецилії Пейн-Гапошкін було лише 25, коли вона відкрила, з чого складаються зірки: водень, гелій та невелика кількість інших елементів. Її відкриття у 1925 році стало одним з перших успішних спроб застосувати нові теорії квантової фізики до спостережень за зірками та одразу викликало суперечки. На той час астрономи вважали, що зірки — це просто нагріті Землі, свого роду іскристі кулі з заліза, кремнію та інших важких елементів, з яких складається наш світ. Пейн-Гапошкін, молода астроном, закликала своїх колег відкинути все, що вони знали про зірки, та переписати наше уявлення про Всесвіт.
“Важко переоцінити вплив її відкриття,” — говорить астроном Девід Шарбонно з Гарвардського університету. Завдяки своєму дослідженню Пейн-Гапошкін проклала шлях до розуміння формування та еволюції зірок, походження хімічних елементів і навіть початків Всесвітів. “Це революційно змінило наше уявлення про космос.”
На тлі квантової революції
Цецилія Пейн-Гапошкін народилася в 1900 році в Англії, в тому ж році, коли Макс Планк вперше звернув увагу на квантовий світ через свою роботу про випромінювання теплоти. Закони спадковості Грегора Менделя знову потрапили в центр уваги, і нова галузь — генетика — лише починала формуватися. Завдяки досягненням у медицині та санітарії, дитяча смертність зменшилася з 23% до 3,7%. Вчені нарешті переконалися, що Всесвіт складається з атомів — щось, що ще можна було обговорювати під час народження Пейн-Гапошкін.
На думку Пейн-Гапошкін, природі не було чого приховувати від допитливого розуму.
“З дуже раннього віку,” — згадувала вона у своїй автобіографії 1979 року, “я вирішила займатися дослідженнями і в мене виникала паніка з приводу того, що все може бути виявлено до того, як я стану достатньо дорослою, щоб почати!”
Коли Пейн-Гапошкін вступила до Кембриджського університету у 1919 році, фізики все ще намагалися зрозуміти основи структури і поведінки атомів, особливо те, як вони взаємодіють зі світлом.
Знайомство з атомним світом
Кілька століть тому вчені зрозуміли, що світло, проходячи через призму, розкладається на спектр кольорів. У 1800-х роках англійський вчений Вільям Гайд Уолластон показав, що сонячне світло, розкладене через призму, утворює спектр з проміжками, які ніхто раніше не помічав. У середині 1800-х років німецькі вчені Роберт Бунзен і Густав Кірхгоф встановили, що ці пробіли у спектрах різних об’єктів є спектральними отпечатками конкретних хімічних елементів.
Спектральні пробіли виникають через квантову природу атомів. У атомі електрони займають області простору навколо ядра, звані орбіталями. Енергії електронів у різних орбіталях є “квантованими”, тобто вони можуть мати лише певні значення, як сходинки на драбині. Щоб перейти на нову сходинку, електрони повинні поглинути фотон — квант світла — з точною енергією. Таким чином, вчені можуть розшифрувати спектри, як своєрідний хімічний баркод.
Коли Пейн-Гапошкін прибула до Кембриджу, це була одна з найкращих у світі місць для вивчення атомної фізики. Вона навчалася у таких великих вчених, як Дж. Дж. Томсон, який відкрив електрон, та Ернест Резерфорд, піонер ядерної фізики. Коли Нільс Бор відвідав лабораторію, щоб поділитися своїм новим квантовим розумінням водневого атома, Пейн-Гапошкін швидко стала його послідовницею у квантовій революції.
Крок в новий світ
Після закінчення навчання, вона потребувала роботи. У 1920-х роках для молодих англійок існував лише один професійний шлях, який зазвичай вів до школи. Але в Гарварді в штаті Массачусетс жінки вже багато років працювали “астрономічними комп’ютерами”. Отримавши стипендію для жінок-астрономів у Гарварді, Пейн-Гапошкін отримала можливість проводити дослідження на обсерваторії впродовж року, який потім перетворився на два, а зрештою — на все життя. Але коли в 1923 році вона сіла на корабель до США, вона не могла передбачити, що це стане початком її великої кар’єри.
Пейн-Гапошкін мала доступ до великої кількості астрономічних даних, зібраних на основі скляних пластин, що використовувалися для фотографування неба, і вона помітила, що вони містять величезну кількість спектральних даних. Впродовж десятиліть жінки-комп’ютери в Гарварді ретельно анотували багато з цих спектрів.
У той час, коли Пейн-Гапошкін почала працювати, питання про те, як високі температури впливають на атоми, вже починали обговорюватися. Вчені, такі як Meghnad Saha, розробили формули, що описують процеси іонізації, але! Ніхто з них ще не використовував ці знання на практиці, щоб пояснити об’єкти, такі як зірки. Пейн-Гапошкін використала ці формули, щоб перевести теоретичну основи в практику, показуючи, що класам спектрів відповідають різні температури зірок, а не їхній склад.
У своїй знаменній дисертації 1925 року вона довела, що зірки, в основному, складаються з водню та гелію.
Спадщина та визнання
Дослідження Пейн-Гапошкін спочатку зустріли опір, і інший вчений, Генрі Норріс Рассел, отримав визнання за її дослідження, коли декілька років по тому прийшов до тих же висновків. Сьогодні, однак, її внесок починає визнаться. Роботи Пейн-Гапошкін у галузі складу зірок вважаються основою сучасної астрофізики.
“Вона одна з перших астрохіміків, оскільки визначила склад Всесвіту,” — говорить Франциска Круцківіч, астрохімік у Лейденському університеті в Нідерландах. “Вона відіграла ключову роль у розумінні того, якою є зірка і чим вона відрізняється від Землі.”
Пейн-Гапошкін була першою жінкою, яка була підвищена до посади професора у Гарварді та очолила астрономічний факультет. Якось вона сказала:
“Істина переможе в кінці. Нісенітниця впаде під вагою своїх же неправдоподібних уявлень.”