В 1925 году 25-летняя Сесилия Пейн-Гапошкина представила свою докторскую диссертацию, которая фундаментально изменила представление человечества о космосе. Ее работа доказывала, что звезды состоят преимущественно из водорода и гелия. Этот вывод прямо противоречил общепринятому научному консенсусу того времени, согласно которому звезды, подобно Земле, должны состоять из тяжелых элементов, таких как железо и кремний.
Открытие Пейн-Гапошкиной стало возможным на стыке новых физических теорий и астрономических наблюдений. Начало XX века было эпохой научной революции. В 1900 году Макс Планк заложил основы квантовой физики, а Нильс Бор разработал квантовую модель атома водорода. В то же время были заново открыты законы наследственности Грегора Менделя, и ученые лишь недавно пришли к согласию, что Вселенная состоит из атомов. На этом фоне Пейн-Гапошкина стала одной из первых, кто применил квантовую физику для анализа звездных спектров.
Изучение звездных спектров началось задолго до нее. Исаак Ньютон первым продемонстрировал, что призма разделяет свет на спектр. В начале 1800-х годов Уильям Хайд Волластон обнаружил в солнечном спектре загадочные темные линии. Позже, в середине XIX века, Роберт Бунзен и Густав Кирхгоф установили, что эти линии являются «спектральными отпечатками» химических элементов, позволяя определять состав удаленных объектов.
Однако существовала серьезная проблема: при высоких температурах звезд атомы ионизируются, то есть теряют электроны, из-за чего их спектральные линии начинают имитировать линии других элементов. В начале 1920-х годов индийский физик Мегнад Саха разработал уравнение, связывающее температуру, давление и степень ионизации. Позже эту формулу усовершенствовали Эдвард Артур Милн и Ральф Фаулер из Кембриджского университета. Именно Сесилия Пейн-Гапошкина, по совету Милна, первой применила уравнение ионизации Саха к реальным данным наблюдений.
Сесилия Пейн родилась в 1900 году в Англии. С 1919 года она училась в Кембриджском университете, работая в престижной Кавендишской лаборатории. В 1923 году она переехала в США для работы в Гарвардской обсерватории в Кембридже, штат Массачусетс. Там она была нанята на должность «астрономического вычислителя» — роль, которую в то время часто занимали женщины, занимавшиеся анализом фотографических стеклянных пластин со звездными спектрами.
В Гарварде находилась огромная коллекция стеклянных пластин со спектрами, собиравшаяся с 1880-х годов. Одна из «вычислителей», Энни Джамп Кэннон, разработала систему классификации звезд на основе их спектров, которая используется до сих пор. Применив теорию Саха, Пейн-Гапошкина сначала доказала, что спектральные классы Кэннон отражают в первую очередь различия в температуре звезд, а не в их химическом составе.
После этого она сделала свой главный шаг. Используя ту же теорию для расчета относительного обилия элементов, Пейн-Гапошкина пришла к выводу о подавляющем преобладании водорода и гелия в составе звезд, включая те, что похожи на звезду Капелла, которую она часто изучала. Это открытие было встречено с недоверием. Ведущий астроном того времени, Генри Норрис Рассел, поначалу отверг ее выводы, но через несколько лет сам пришел к такому же заключению и получил основное признание за это открытие.
Несмотря на запоздалое признание, работа Пейн-Гапошкиной заложила основу современной астрофизики и астрохимии. По словам астронома Дэвида Шарбонно, ее открытие было революционным и проложило путь к пониманию того, как формируются и эволюционируют звезды, откуда берутся химические элементы и как зародилась Вселенная. Он сравнивает значимость ее работы с открытиями реликтового излучения и первых экзопланет, за которые были присуждены Нобелевские премии, которых Пейн-Гапошкина так и не получила.
Впоследствии Сесилия Пейн-Гапошкина добилась значительного признания в Гарварде, став первой женщиной, получившей звание профессора и возглавившей кафедру астрономии. Ее научный путь описан в автобиографии «Рука красильщика», опубликованной в 1979 году. Уже после ее смерти художница Патрисия Уотвуд написала ее портрет.
Сегодня наследие Пейн-Гапошкиной продолжает вдохновлять ученых. Астрохимик Франсиель Кручкевич из Лейденского университета (Нидерланды) считает ее образцом для подражания и одним из «первых астрохимиков». Эмма Чепмен, астрофизик из Ноттингемского университета (Англия) и автор книги «Первый свет» (2021), отмечает, что работы Пейн-Гапошкиной имели решающее значение для понимания того, что такое звезда.
Изображение носит иллюстративный характер
Открытие Пейн-Гапошкиной стало возможным на стыке новых физических теорий и астрономических наблюдений. Начало XX века было эпохой научной революции. В 1900 году Макс Планк заложил основы квантовой физики, а Нильс Бор разработал квантовую модель атома водорода. В то же время были заново открыты законы наследственности Грегора Менделя, и ученые лишь недавно пришли к согласию, что Вселенная состоит из атомов. На этом фоне Пейн-Гапошкина стала одной из первых, кто применил квантовую физику для анализа звездных спектров.
Изучение звездных спектров началось задолго до нее. Исаак Ньютон первым продемонстрировал, что призма разделяет свет на спектр. В начале 1800-х годов Уильям Хайд Волластон обнаружил в солнечном спектре загадочные темные линии. Позже, в середине XIX века, Роберт Бунзен и Густав Кирхгоф установили, что эти линии являются «спектральными отпечатками» химических элементов, позволяя определять состав удаленных объектов.
Однако существовала серьезная проблема: при высоких температурах звезд атомы ионизируются, то есть теряют электроны, из-за чего их спектральные линии начинают имитировать линии других элементов. В начале 1920-х годов индийский физик Мегнад Саха разработал уравнение, связывающее температуру, давление и степень ионизации. Позже эту формулу усовершенствовали Эдвард Артур Милн и Ральф Фаулер из Кембриджского университета. Именно Сесилия Пейн-Гапошкина, по совету Милна, первой применила уравнение ионизации Саха к реальным данным наблюдений.
Сесилия Пейн родилась в 1900 году в Англии. С 1919 года она училась в Кембриджском университете, работая в престижной Кавендишской лаборатории. В 1923 году она переехала в США для работы в Гарвардской обсерватории в Кембридже, штат Массачусетс. Там она была нанята на должность «астрономического вычислителя» — роль, которую в то время часто занимали женщины, занимавшиеся анализом фотографических стеклянных пластин со звездными спектрами.
В Гарварде находилась огромная коллекция стеклянных пластин со спектрами, собиравшаяся с 1880-х годов. Одна из «вычислителей», Энни Джамп Кэннон, разработала систему классификации звезд на основе их спектров, которая используется до сих пор. Применив теорию Саха, Пейн-Гапошкина сначала доказала, что спектральные классы Кэннон отражают в первую очередь различия в температуре звезд, а не в их химическом составе.
После этого она сделала свой главный шаг. Используя ту же теорию для расчета относительного обилия элементов, Пейн-Гапошкина пришла к выводу о подавляющем преобладании водорода и гелия в составе звезд, включая те, что похожи на звезду Капелла, которую она часто изучала. Это открытие было встречено с недоверием. Ведущий астроном того времени, Генри Норрис Рассел, поначалу отверг ее выводы, но через несколько лет сам пришел к такому же заключению и получил основное признание за это открытие.
Несмотря на запоздалое признание, работа Пейн-Гапошкиной заложила основу современной астрофизики и астрохимии. По словам астронома Дэвида Шарбонно, ее открытие было революционным и проложило путь к пониманию того, как формируются и эволюционируют звезды, откуда берутся химические элементы и как зародилась Вселенная. Он сравнивает значимость ее работы с открытиями реликтового излучения и первых экзопланет, за которые были присуждены Нобелевские премии, которых Пейн-Гапошкина так и не получила.
Впоследствии Сесилия Пейн-Гапошкина добилась значительного признания в Гарварде, став первой женщиной, получившей звание профессора и возглавившей кафедру астрономии. Ее научный путь описан в автобиографии «Рука красильщика», опубликованной в 1979 году. Уже после ее смерти художница Патрисия Уотвуд написала ее портрет.
Сегодня наследие Пейн-Гапошкиной продолжает вдохновлять ученых. Астрохимик Франсиель Кручкевич из Лейденского университета (Нидерланды) считает ее образцом для подражания и одним из «первых астрохимиков». Эмма Чепмен, астрофизик из Ноттингемского университета (Англия) и автор книги «Первый свет» (2021), отмечает, что работы Пейн-Гапошкиной имели решающее значение для понимания того, что такое звезда.
