Cecilia Payne Gaposchkin i tajemnica gwiazd

/   Tomasz Pospieszny   /

 

Nocne niebo fascynowało ludzkość od zarania dziejów. Ludzie wpatrywali się w magiczne świecące punkty na niebie tłumacząc ich obecność na różne znane sobie sposoby. Przez wiele wieków nikt nie przypuszczał, że gwiazdy zawierają olbrzymie ilości wodoru. Jako pierwsza hipotezę tę wysunęła w swojej rozprawie doktorskiej Cecilia Payne-Gaposchkin. Należy jednak pamiętać, że U mężczyzn doktorat postrzegany jest jako inwestycja. U kobiet jako fanaberia… Niestety jej sugestie odrzucono, dopiero w 1929 roku genialna myśl uczonej została powszechnie uznana.

Cecilia Payne w wieku 6 lat, 1906, [za:] https://www.harvardsquarelibrary.org/biographies/cecilia-payne-gaposchkin-3/
Cecilia Helena Payne-Gaposchkin przyszła na świat 10 maja 1900 roku w Wendover w Anglii. Jej matka Emma Leonora Helena (z domu Pertz) pochodziła z Prus z bardzo szanowanej rodziny, zaś ojciec Edward John Payne był londyńskim adwokatem, historykiem i muzykiem. Cecilia miała młodszego brata Humfry’ego (1902–1936), który został archeologiem oraz siostrę Leonorę Florence Mary (1904–1996), która została uznaną pianistką. Gdy Cecilia miała cztery lata Edward Payne zginął tragicznie. Jego ciało znaleziono w kanale w Wendover, a okoliczności śmierci pozostają niejasne. Emma Payne z dnia na dzień została głową rodziny i została zmuszona do samodzielnego wychowywania rodziny.

Cecilia w wieku sześciu lat została posłana do miejscowej szkoły, która została otwarta po drugiej stronie ulicy, na której mieszkała. Szkołę prowadziła panna Elizabeth Edwards. Zapewniała ona uczniom dobre wykształcenie. Payne-Gaposchkin po latach napisała:

            W ciągu sześciu lat spędzonych w jej szkole panna Edwards zapewniła mi dobre wykształcenie. Czasami myślę, że nauczyła mnie wszystkiego, co musiałam wiedzieć. W wieku 12 lat mówiłam po francusku i niemiecku, znałam podstawy łaciny i miałam pełną znajomość arytmetyki. Geometria i algebra były częścią naszej nauki i szczególnie podobało mi się rozwiązanie równań kwadratowych.

Cecilia była bardzo muzykalna i wykazywała duże zdolności w grze na pianinie, jednak muzyka nie odegrała żadnej roli w jej szkolnej edukacji. Payne była leworęczna i musiała pisać prawą ręką (był czas, kiedy uczniów leworęcznych zmuszano do pisania prawą ręką!). Ponadto, zaczynała odczuwać pewne pierwsze oznaki szowinizmu.

Kiedy skończyła dwanaście lat rodzina przeprowadziła się do Londynu, gdzie jej brat mógł podjąć naukę w lepszej szkole. Payne uczęszczała do St. Mary’s College w Paddington. Niestety nie była w stanie studiować matematyki ani przedmiotów ścisłych, gdyż była to szkoła kościelna, w której przykładano dużą wagę do nauki religii. Zajęło mi wiele dziesięcioleci zanim mogłam przezwyciężyć urazy i wątpliwości, które powstały z dobrych intencji, ale w bigoteryjnej atmosferze – pisała po latach uczona.

 

Od najmłodszych lat Payne marzyła, aby zostać naukowcem. Szczególnie interesowała się botaniką. Niestety bez odpowiednich książek i pomocy dobrych nauczycieli jej marzenia zaczynały z wolna gasnąć. Starała się jednak na tyle na ile mogła czytać książki, które ją interesowały. Pożyczała je najczęściej od krewnych i znajomych matki. Kiedy przeczytała Principia Newtona zakochała się w matematyce. W drugim roku nauki poznała Dorothy Dalglish – nauczycielkę nauk przyrodniczych, która zauważyła niezwykłe zdolności i zainteresowania uczennicy. Zaczęła jej pożyczać książki z fizyki i zabierać na wycieczki do muzeów. Niestety sytuacja rodziny Payne’ów zmieniła się diametralnie, kiedy wybuchła pierwsza wojna światowa. Ponieważ matka Cecili urodziła się w Niemczech rodzina z dnia na dzień stała się politycznie podejrzana. Ponadto Dalglish poważnie zachorowała i musiała zrezygnować z nauczania. Przyszła uczona w Autobiografii napisała:

Kolejne lata były czasem zagubionym i nieszczęśliwym. Upierałam się, że muszę uczyć się zaawansowanej matematyki i niemieckiego (bo to byłoby konieczne dla naukowca), a żadna inna dziewczyna w szkole nie miała takich potrzeb ani wymagań. […] W końcu jeden z uprzejmych nauczyciel uczył mnie niemieckiego. Podjęłam się studiów rachunku różniczkowego i geometrii, a matematyka nabrała [dla mnie] pewnego rodzaju mistycznego znaczenia.

St. Paul Girls School w Londynie, b.d., Domena publiczna

Gustav Holst, b.d., [za:] https://www.gramophone.co.uk/features/article/gustav-holst-beyond-the-planets
Niestety w ostateczności została zmuszona do opuszczenia szkoły. Pod koniec pobytu w szkle usłyszała od wyjątkowo złośliwego nauczyciela matematyki, że nigdy nie zostanie naukowcem. W 1918 roku wstąpiła do St. Paul’s Girls’ School, gdzie bardzo zachęcono ją do poznawania świata nauki. Bez większego nacisku zachęcano ją także do rozwijania talentów muzycznych. Nauczyciel muzyki Gustav Holst – słynny kompozytor – zachęcał Cecilię do zostania muzykiem. Było to niezwykle kuszące, ale ostatecznie miłość Payne do nauki zwyciężyła. Uwielbiała fizykę. Oczarowały ją całkowicie mechanika, dynamika, elektryczność i magnetyzm, optyka, termodynamika i… podstawy astronomii. W 1919 roku otrzymała stypendium Mary Eward for Sciences i we wrześniu rozpoczęła studia uniwersyteckie w Newnham College w Cambridge. Z równą pasją studiowała fizykę i matematykę, co chemię i botanikę. Jednak z czasem stwierdziła, że botanika jest rozczarowująca. Po roku nauki oddała się całkowicie studiowaniu fizyki. Kiedy wysłuchała wykładu Nielsa Bohra pochłonęły ją studia nad budową atomu. Jednakże prawdziwy zwrot miał dopiero nastąpić. Jego „sprawcą” został sir Arthur Eddington.

Spotkanie fizyków w Lejdzie w Holandii w 1923 roku;  1. rząd [siedzą] Artur Eddington i Henrik Lorentz, 2. rząd [stoją] Albert Einstein, Paul Ehrenfest i Willem de Sitter; Domena publiczna
Dzień po wysłuchaniu jego wykładu całkowicie skoncentrowała się na fizyce. To, co tam usłyszałam, całkowicie zmieniło mój obraz świata. Kiedy wróciłam do domu, byłam w stanie odtworzyć z pamięci każde słowo, które usłyszałam – wspominała. Zainteresowałam się astronomią po wykładzie Eddingtona na temat wyników obserwacji potwierdzających ogólną teorię względności. W tym okresie przygotowywałam się do egzaminu kwalifikacyjnego z nauk przyrodniczych. Postanowiłam zdawać egzamin z matematyki, żeby móc studiować pod kierunkiem Eddingtona… Mogę […] nawet powiedzieć, że w rzeczywistości zakochałam się w nim – dodawała.

Harlow Shapeley, b.d., Domena publiczna

Zaczęła uczęszczać na wszystkie wykłady i kursy z astronomii, studiować książki i artykuły naukowe. Rozpoczęła prowadzić obserwacje astronomiczne w Obserwatorium Newnham College. W 1923 roku zdobyła licencjat z nauk przyrodniczych, bowiem oficjalnie nie była studentką astronomii. W tym samym roku wysłuchała wykładu Harlowa Shapleya – dyrektora Harvard College Observatory. Po wykładzie poprosiła go o krótką rozmowę, która stała się zwrotna w jej życiu. Shapley zachęcił ją do spędzenia roku w Obserwatorium Harvarda. Rekomendację (po rozmowie z kandydatką) wystawił sam Eddington – Zdobyła szeroką wiedzę z zakresu fizyki, w tym astronomii i posiada cenne cechy, jest pełna energii i entuzjazmu dla swojej pracy. […] Wierzę, że jest typem osoby, która, mając taką możliwość, poświęci całe swoje życie astronomii i nie będzie chciała po kilku latach pracy uciekać, aby wziąć ślub. W 1924 roku Cecila Payne wyjechała z Anglii, aby zmienić oblicze astronomii.

Shapley bardzo szybko poznał talent i pasję swojej studentki. Przekonał ją do napisania rozprawy doktorskiej. Później uczona wspominała:

[Shapley] bardzo zachęcał [do pracy], był bardzo miły i pomocny, zawsze był zainteresowany tym, co wszyscy robili i myśleli. […] To, co naprawdę mnie zainspirowało, to ogłoszenie, które przeczytałam, zanim opuściłam Cambridge w Anglii, na temat Nagrody Adamsa na następny rok – przedmiotem było badanie materii w wysokich temperaturach. […] Pomyślałam sobie: „Napiszę artykuł na temat badań i obserwacji materii w wysokich temperaturach” […]. Nie spodziewałam się zdobyć Nagrody Adamsa; Wątpiłam, czy kobieta się kwalifikuje. Ale powiedziałam sobie: „Przynajmniej mam zamiar przyczynić się do tego przedmiotu tak dobrze i wartościowo, jak praca teoretyczna, którą ktoś zamierza napisać i odebrać nagrodę.” Więc byłam dość ambitna, teraz wydaje się to zabawne.

 

Trzy pokolenia kobiet z obserwatorium astronomicznego Harvardu; 1. rząd [siedzą]: Agnes M. Hoovens, Mary B. Howe, Harvia H. Wilson, Margaret Walton, Antonia C. Maury, Florence Cushman; 2. rząd: Lillian L. Hodgdon, Annie J. Cannon, Evelyn F. Leland, Ida E. Woods, Mabel A. Gill; 3. rząd: Margaret Harwood, Cecilia Payne, Arville D. Walker, Edith F. Gill, 1925, Harvard College Observatory History in Images, Harvard University Archives
Cecilia Payne, Harvard, 1926, Domena publiczna

W latach osiemdziesiątych XIX wieku astronomowie z Harvard College opracowali klasyfikację gwiazd według ich widm, która opierała się na siedmiu typach oznaczanych: O, B, A, F, G, K i M (zawdzięczamy to przede wszystkim pracy Annie Jump Cannon). Uważano, że sekwencja ta odpowiada temperaturze powierzchni gwiazd. Za O uchodziły gwiazdy najgorętsze, zaś M odpowiadała najmniejsza temperatura. W swojej rozprawie doktorskiej Cecilia Payne wykorzystała linie widmowe wielu różnych pierwiastków chemicznych oraz pracę indyjskiego astrofizyka Meghnada Saha. Wyprowadził on równanie odnoszące się do stanów jonizacji pierwiastków w gwieździe w zależności od temperatury. Ponadto Payne ustaliła, że gwiazdy składają się głównie z wodoru, który według jej badań był najczęściej występującym we wszechświecie pierwiastkiem, oraz z helu. W 1925 roku Cecilia Payne została pierwszą kobietą, która uzyskała stopień doktora astronomii Radcliffe College.

Henry Norris Russel, ok. 1921, Domena publiczna

Szkic jej pracy zawierający te wyniki, został wysłany do wiodącego astronoma tamtych czasów Henry’ego Norrisa Russella. Uczony po zapoznaniu się z pracą Payne stwierdził, że to wyraźnie niemożliwe. Russell uważał, że gwiazdy powinny mieć podobny skład chemiczny jak Ziemia. Payne bojąc się gniewu i astronomów i wyszydzenia w środowisku naukowym w wnioskach rozprawy napisała:

            Ogromne ilości pochodzące od tych pierwiastków w gwiezdnej atmosferze prawie na pewno nie są rzeczywiste. Prawdopodobnie wynik można wziąć pod uwagę, dla wodoru jako kolejny aspekt jego anormalnego zachowania… a hel… prawdopodobnie odbiega z podobnych przyczyn.

Cecilia Payne i jej bliska przyjaciółka Frances Woodworth Wright, lata 30. XX wieku, Sara Schechner & Ken Launie Collections, [za:] https://wolba.ch/gazette/cecilia-and-sergei-american-astronomers/

Kiedy we wrześniu 1925 roku przyjechała do Cambridge Eddington powiedział – No, tak może być na powierzchni gwiazd, ale nie wie pani, czy tak jest wewnątrz. Okazało się, że to Cecilia Payne miała rację. Astronomowie Otto Struve i Velta Zebergs określili później jej rozprawę jako bez wątpienia najbardziej błyskotliwą rozprawą doktorską, jaka kiedykolwiek została napisana w dziedzinie astronomii. Należy jednak oddać sprawiedliwość Russellowi i Eddingtonowi, którzy ostatecznie przyznali rację Payne. Russell pisząc o atmosferze Słońca twierdził, że zawiera ona 60 części wodoru (w objętości), 2 części helu, 2 tlenu, 1 część metali i 0,8 części wolnych elektronów, z których niemal wszystkie pochodzą z jonizacji metali. Późniejsze badania zmieniły podane przez niego liczby, ale nie podważyły tezy, że najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem chemicznym w gwiazdach jest wodór, a po nim hel.

 

Cecilia i Siergiej, lata 30. XX wieku, Sara Schechner & Ken Launie Collections, [za:] https://wolba.ch/gazette/cecilia-and-sergei-american-astronomers/
W 1931 roku Payne została obywatelką USA. Latem 1932 roku jej najbliższa przyjaciółka z obserwatorium Adelaide Ames utonęła w wypadku kajakowym. W maju 1933 roku zginął w wypadku jej bliski przyjaciel Bill Waterford i zmarła Betty Leaf – przyjaciółka z Anglii. Payne rzuciła się w wir pracy. W 1933 roku wyjechała do Europy, by spotkać się z rosyjskim astronomem Borisem Gerasimowiczem pracującym wcześniej w Obserwatorium Harvarda, a z którym planowała napisać książkę o gwiazdach zmiennych. Odwiedziła też Berlin i Getyngę, gdzie miało się odbyć spotkanie Astronomische Gesellschaft. Na zjeździe poznała Siergieja Gaposchkina, który próbował opuścić Europę ze względu na narastającą falę faszyzmu. Po powrocie do Stanów Zjednoczonych Payne załatwiła dla Gaposchkina wizę. Przyjechał do Stanów Zjednoczonych w listopadzie 1933 roku. Fascynacja i pasja szybko przerodziła się w miłość. Uczeni pobrali się w marcu 1934 roku. Mieli troje dzieci, Edwarda (ur. 1935), Katherine (ur. 1937) i Petera (ur. 1940). Od 1935 roku Payne-Gaposchkin zaczęła publikować wyniki badań wspólnie z mężem. W 1938 roku napisali razem książkę Gwiazdy zmienne. Wspólnie opublikowali też około 350 prac. W 1938 roku otrzymała tytuł Astronoma, została pierwszą kobietą profesorem astronomii na Uniwersytecie Harvarda. W 1965 roku przeszła na emeryturę. Nie przestała jednak pracować – od 1967 roku aż do swojej śmierci zajmowała stanowisko w Smithsonian Astrophysical Observatory.

 

Cecilia Payne-Gaposchkin otrzymała wiele wyróżnień i nagród m. in.: Nagrodę Annie Jump Cannon American Astronomical Society (1934), wybrano ją na członkinię American Philosophical Society (1936), członkinię American Academy of Arts and Sciences (1943). Przyznano jej również doktoraty honorowe: Wilson College (1942), Smith College (1943), Western College (1951), Colby College (1958), Women’s Medical College of Philadelphia (1961). W 1976 roku Amerykańskie Towarzystwo Astronomiczne przyznało jej Nagrodę Henry’ego Norrisa Russella.

Cecilia i Siergiej na spotkaniu Amerykańskiego Towarzystwa Astronomicznego w Mexico City; skan z American Institute of Physics, Emilio Segre Visual Archives, [za:] https://wolba.ch/gazette/cecilia-and-sergei-american-astronomers/
W sierpniu 1979 roku zdiagnozowano u uczonej nowotwór płuc. Cztery miesiące później, 7 grudnia Cecilia Payne-Gaposchkin zmarła spokojnie w swoim domu.

            Młodzi ludzie, w szczególności młode kobiety, często proszą mnie o radę. Oto ona – nie rozpoczynaj kariery naukowej dla pieniędzy czy sławy. Są łatwiejsze sposoby by je zdobyć. Podejmij się jej tylko jeśli wiesz, że nic innego nie da ci satysfakcji. Nic innego nie będziesz z tego miała… – mówiła. Cecilia Payne-Gaposchkin miała nie tylko satysfakcję, ale też ogromne sukcesy, które dały jej nieśmiertelność na niezapisanych kartach nauki.

 

Literatura zalecana:

[1] C. Payne-Gaposchkin, K. Haramundanis, Cecilia Payne-Gaposchkin: An Autobiography and Other Recollections, Cambridge University Press, 1984.

[2] V. Rubin, Cecilia Payne-Gaposchkin. [w]: N. Byers, G. Williams, (eds.). Out of the Shadows: Contributions of 20th Century Women to Physics, Cambridge University Press, 2006.

[3] A. I. Miller, Imperium gwiazd, Albatros Wydawnictwo A. Kuryłowicz, Warszawa, 2006.

[4] P. Frances (red.), Encyklopedia Wszechświata, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2006, s. 203–231.

[5] M. Hoskin (red.), Historia astronomii, Wydawnictwo Uniwersytetu Warszawskiego, Warszawa 2015, str. 206–261.

[6] D. Moore, What Stars Are Made Of: The Life of Cecilia Payne-Gaposchkin, Harvard University Press, 2020.