Астрономия зародилась из простых наблюдений: люди отслеживали движение Солнца и Луны, создавали календари и выстраивали каменные обсерватории. Со временем возникли модели планетных циклов и первые научные объяснения небесных феноменов. С течением веков научная мысль развивалась — от гелиоцентрической системы Коперника до трудов Тихо Браге, И. Кеплера, Галилео и Ньютона, которые постепенно дополняли представление о мироздании.
Долгое время природа звёзд оставалась тайной: из чего они состоят и как устроены? Ключ к разгадке появился в XX веке благодаря труду англо-американской исследовательницы Сесилии Пейн-Гапошкиной, первой применившей спектроскопию для детального анализа состава небесных светил.
В 1925 году 25-летняя Пейн-Гапошкина представила докторскую диссертацию, где доказала, что основным «строительным материалом» звёзд являются водород и гелий, а все прочие элементы лишь незначительные примеси. Эти выводы шли вразрез с устоявшейся тогда гипотезой о звёздах как раскалённых аналогах Земли, содержащих главным образом железо, кремний и кислород. Подкреплённые новейшей квантовой теорией, расчёты Пейн-Гапошкиной сначала встретили сопротивление, однако спустя годы её правота была окончательно подтверждена.
Путь к признанию оказался непростым: первые оценки работы казались слишком смелыми. Сегодня же её выводы являются базисом современной астрофизики, открывая понимание процессов звёздообразования, термоядерного синтеза элементов и эволюции Вселенной.
Когда и как всё началось
Сесилия Пейн-Гапошкина родилась в 1900 году в Англии — том же году, когда Макс Планк опубликовал основополагающую работу о квантовании энергии. Начало XX века ознаменовалось научными революциями:
-
возрождением и систематизацией генетики после работ Менделя;
-
оформлением генетики как самостоятельной дисциплины;
-
прорывом в медицине и санитарии: детская смертность в Великобритании за первые десятилетия века сократилась почти в 10 раз;
-
утверждением атомной теории как основополагающей концепции строения материи.
Это было время, когда прежние догмы уступали место новым идеям: классическая физика обретала квантовую форму, биология превращалась в точную науку, а Вселенная всё больше становилась предметом экспериментального и теоретического анализа.
Как вспоминала сама Сесилия, ещё в детстве она твердо решила посвятить себя науке и опасалась, что тайны природы могут быть раскрыты прежде, чем она успеет их изучить.
Когда в 1919 году Сесилия поступила в Кембридж, физика переживала настоящий переворот: учёные изучали строение атома и природу света. Спектроскопия к этому времени уже имела двухвековую историю: Ньютон обнаружил расщепление света в призме, Волластон зафиксировал тёмные линии в солнечном спектре, а Бунзен с Кирхгофом выяснили их связь с химическими элементами.
Квантовая теория объяснила возникновение этих линий: электроны атомов переходят между дискретными уровнями, поглощая или испуская фотоны строго определённой энергии. Поскольку у каждого элемента своя «энергетическая палитра», по спектрам можно было однозначно определять состав вещества.
В Кавендишской лаборатории Пейн-Гапошкина слышала лекции Дж. Д. Томсона и Эрнеста Резерфорда, а вскоре узнала о модели атома Нильса Бора, которая дала прямое объяснение спектральным линиям водорода. Эти знания стали для неё основой, чтобы применить квантовые принципы к астрономии.
Через тернии к звёздам
В начале 1920-х годов в Великобритании для женщин в науке было мало возможностей: большинство выпускниц Кембриджа оказывались преподавательницами, а не исследователями. Судьбоносный путь Пейн-Гапошкиной открылся в Гарвардской обсерватории, где уже несколько десятилетий работали «астрономические компьютеры» — женщины, систематизирующие спектральные наблюдения.
Получив стипендию, учреждённую специально для женщин-астрономов, она провела в Гарварде год, затем продлила стажировку, которая превратилась в научную карьеру длиной в жизнь. В 1923 году, сев на корабль в Англии, Сесилия не подозревала, что именно здесь создаст исследования, перевернувшие астрономию.
В Гарвардской обсерватории хранился гигантский архив стеклянных фотопластин: на них запечатляли изображения звёзд и их спектры. Женщины-компьютеры вели их классификацию, а Энни Джамп Кэннон создала систему спектральных классов, применяемую до сих пор. Тогда считали, что эти классы отражают разницу в составе звёзд, но Сесилия решила проверить другую гипотезу: спектры могут зависеть от физических условий — температуры и давления.
Благодаря знаниям в области атомной физики Пейн-Гапошкина понимала, что при высоких температурах атомы ионизируются: электроны улетучиваются, превращая их в ионы. Эти ионы дают линии, которые могут искажать истинный химический портрет звезды.
В начале 1920-х появились методы учёта ионизации при анализе спектров, но их никто не применил к обсерваторным данным. Сесилия оказалась в уникальном положении: у неё был доступ к богатейшему спектральному архиву и необходимая теоретическая база. Это сочетание позволило ей сделать прорыв.
Индийский астрофизик Мегнад Саха вывел уравнение, связывающее температуру и давление с степенью ионизации газов, а Милн и Фаулер уточнили его формулировки. Однако до приезда Пейн-Гапошкиной никто не посмел применить эти формулы к реальным спектральным данным. Перед отъездом из Кембриджа Эдвард Милн даже отметил, что именно она способна воплотить теорию Сахи в практику.
В Гарварде Сесилия доказала: спектральные классы Кэннон отражают прежде всего температуру звезды, а не её химический состав. Затем она адаптировала уравнение Сахи так, чтобы по спектру и температуре можно было вычислять относительные концентрации элементов. Итог её диссертации 1925 года привёл к беспрецедентному выводу: звёзды состоят почти полностью из водорода и гелия.
Её открытия встретили сопротивление, а официальное признание того же результата первым получил Генри Норрис Рассел. Даже сегодня многие узнают о вкладе Пейн-Гапошкиной не из основных учебников, а из дополнительных источников. Но с течением времени её заслуги подтверждены: исследования состава звёзд, переменных светил и структуры галактик стали краеугольными камнями современной астрофизики, а методы, заложенные почти век назад, продолжают применяться для изучения межзвёздной среды и химической эволюции Вселенной.
Сесилия Пейн-Гапошкина стала первой женщиной-профессором Гарвардского университета и возглавила кафедру астрономии, созданную на основе её докторской работы.
