Женщина и звезды: история Сесилии Пейн

Сесилия Пейн родилась в английском Вендовере в 1900 году в семье гуманитариев, где много читали и музицировали. Предполагалось, что и она может стать пианисткой или домохозяйкой – других вариантов Англия того времени девушкам высшего сословия предлагала не так много. Сесилия росла любознательной: когда в восемь лет она впервые увидела орхидею вида Ophrys apifera и узнала ее по материнскому описанию, то поняла, что хочет стать исследовательницей, чтобы и дальше испытывать восторг открытия и узнавания. «Думаю, именно тогда началась моя карьера ученой», – вспоминала сама Пейн. Она ходила в школу Святого Павла для девочек в Лондоне. Учебное заведение специализировалось на преподавании естественных наук, и юная Сесилия иногда прокрадывалась в научную лабораторию, чтобы проводить свои эксперименты. Она обожала биологию, химию и физику.

В 1919 году Пейн получила стипендию в женский Ньюнэм-колледж Кембриджа. Университеты тогда не предлагали женщинам ученых степеней, но само по себе время было благоприятным для изучения физики – зарождалась квантовая механика, уже появилась и теория относительности. В Кембридже Эрнест Резерфорд как раз исследовал атомный и субатомный миры, а Артур Эддингтон изучал структуру и развитие звезд.

Преподавателем физики у Пейн и оказался сам Резерфорд. Единственная женщина в его классе, она всегда чувствовала себя слегка под давлением. Университетские правила требовали, чтобы девушка непременно сидела отдельно от мужчин, так что Сесилии приходилось занимать первый ряд, куда никто не садился. Пейн вспоминала: «На каждой лекции [Резерфорд] многозначительно смотрел на меня… и начинал своим зычным голосом: “Дамы и господа”… на каждой лекции мне хотелось провалиться сквозь землю. До сих пор я инстинктивно занимаю свое место как можно дальше в аудитории».

Несмотря на существенно больший на тот момент авторитет Резерфорда, Пейн нашла наставника в другом ученом – в Эддингтоне. Почти случайно она посетила его лекцию об экспедициях в Бразилию и Западную Африку, в которых впервые было зарегистрировано эйнштейновское смещение света при солнечном затмении 1919 года, что подтвердило общую теорию относительности. Материал и сам Эддингтон настолько впечатлили Сесилию, что, вернувшись в общежитие, она попыталась записать рассказ профессора дословно, по памяти.

Для Гарвардской обсерватории ее пол не стал чем-то принципиально новым. Женщины там уже давно вносили свой вклад в исследования. В 1870-х годах предшественник Шепли на посту директора, Чарльз Пикеринг, начал нанимать женщин для анализа данных, которые собирала обсерватория. Таких специалисток называли «гарвардскими компьютерами» – имея в виду, что они занимаются только расчетами, не проводят независимых исследований, а лишь анализируют добытый материал. Женщин предпочитали, потому что считалось, что они более терпеливы, чем мужчины, в работе с мелкими деталями, и, кроме того, они чаще соглашались на более низкую заработную плату. Некоторые «компьютеры» не имели даже высшего образования, но и тем, у кого оно было, платили, как чернорабочим, – по 25–50 центов в час.

Должность «гарвардского компьютера» считалась не слишком успешной. Однако некоторые из девушек обсерватории внесли весомый вклад в развитие науки. Например, Энни Кэннон получила международное признание за классификацию звездных спектров. Еще с середины XIX века было известно, что спектры разных звезд обнаруживают как сходство, так и различия. Наблюдения предполагали, что звезды можно классифицировать по группам, но не было единого мнения о том, как это лучше сделать. Кэннон взялась за упорядочивание системы. В Гарварде как раз был крупнейший в мире архив звездных спектров на фотопластинках. Но Кэннон не исследовала физические механизмы, вызвавшие появление спектров. Этой задачей как раз заинтересовалась Сесилия Пейн.

Связь между температурой, квантовыми состояниями горячих атомов и их спектральными линиями была установлена еще в 1921 году индийским физиком Мегнадом Саха. Он не мог полностью проверить свои идеи, не зная квантовых уровней энергии для каждого элемента, но они уже измерялись, когда Пейн начала свои исследования. Приложив огромные усилия, она объединила новые данные с теорией Саха, чтобы полностью интерпретировать звездные спектры Кэннон, включив в них и температурные эффекты.

Одним из важных результатов ее научных изысканий стала корреляция звездных температур с категориями Кэннон, результаты которой используются до сих пор: например, звезды B (голубые гиганты) светят на нас своими внешними слоями, разогретыми до 20 000 K, поверхность Солнца нагрета только до 6000 К, тогда как звезды спектрального класса M (красные карлики) на своей поверхности нагреты только до 3000 K. На основе этого исследования Пейн написала диссертацию «Звездные атмосферы», которую защитила в 1925 году. Ее хорошо приняли, но в ней Сесилия акцентировалась только на одной части исследования, скрыв вторую.

Самое важное открытие Пейн, тем временем, осталось за кадром – она также обнаружила, что водород является основным компонентом звезд. Этот ее вывод противоречил точке зрения, принятой в кругах выдающихся астрономов того времени – и в первую очередь, самого Артура Эддингтона. Считалось, что звезды состоят в основном из тех же элементов, что и Земля (то есть кремния, углерода, железа и т. д.). В то время это казалось логичным, потому что уже было известно, что звезды и их планеты возникают из одного материала. А о тех деталях, из-за которых у планет земного типа водорода почти не остается, попросту еще никто не знал.

Из-за всего этого Сесилии казалось, что она получила очень неоднозначный результат, который будет непросто объяснить теоретически. Каждый, кто хоть когда-то приходил в своей работе к выводам, противоречащим всему накопленному в той или иной области знаний, ощущал нечто подобное. Неуверенность, колебания, постоянные вопросы: «А что, если я ошибся?» Продолжать работу в таких условиях требовало большого мужества.

Желая опубликовать результаты, Пейн преуменьшила значение своего открытия, списав его на неточность или ошибку. На самом деле, она рассчитала относительное содержание каждого элемента, видимого в звездных спектрах. Для 15 из них, от лития до бария, результаты были схожими для разных звезд и «отображали поразительную параллель с составом Земли». Это вполне согласовывалось с мнением астрономов того времени, которое мы описали выше.

Но затем Сесилия заметила, что водорода в миллион раз больше, чем других элементов, – а вот это уже считалось невозможным. Вывод о том, что Солнце почти полностью состоит из водорода, вызвал недовольство стороннего рецензента ее диссертации. Им выступал Генри Рассел, директор Принстонской обсерватории и убежденный сторонник идеи о том, что Земля и Солнце имеют одинаковый состав. Рассел был весьма впечатлен диссертацией, пока не дочитал до результата про водород. Он написал Пейн, что с этой теорией должно быть что-то не так, потому что «совершенно невозможно, чтобы водорода было в миллион раз больше, чем металлов».

Из-за критики рецензента в окончательной версии диссертации Пейн отказалась от этой части работы, написав: «Огромное изобилие, полученное для [водорода и гелия], почти наверняка нереально». Но в 1929 году Рассел опубликовал собственный вывод о содержании элементов в звездах – и включил туда водород. Он процитировал работу Пейн и отметил, что его результаты для всех элементов, включая большое количество водорода, удивительно хорошо согласуются с ее результатами. Не говоря об этом прямо, статья Рассела подтвердила, что весь анализ Пейн был верен изначально. Она была первой, кто обнаружил, что Солнце в основном состоит из водорода.

Открытие целиком приписали Расселу. Он никогда не скрывал, но и никогда не заявлял, что еще до своих собственных исследований отверг этот вывод в ее диссертации. Правда, Рассел мог действовать и из благих побуждений: выводы, столь противоречащие общепринятой точке зрения, могли навредить карьере молодого ученого. Вероятно, только исследователь уровня Рассела и мог убедить сообщество в открытии. Пейн, тем не менее, всю жизнь жалела, что тогда, в диссертации, не настояла на своем. С Расселом они дружили много лет.

Научный руководитель Сесилии, Харлоу Шепли напечатал ее работу в виде монографии. Она была продана тиражом 600 экземпляров – статус бестселлера для диссертации. 40 лет спустя выдающийся астроном Отто Струве назвал «Звездные атмосферы» Сесилии Пейн «самой блестящей докторской диссертацией, когда-либо написанной в области астрономии».

После защиты диссертации Пейн осталась в обсерватории у Шепли, но в парадоксальной и странной ситуации. Она хотела продолжать астрофизические исследования, но Шепли поручил ей измерять яркость звезд – рутинный проект, который ее вообще не занимал и для которого подошел бы любой аспирант уровнем пониже. Шепли отчасти эксплуатировал ученицу. Да, он и помогал ей тоже: например, по просьбе Сесилии нанял Сергея Гапошкина, русского астронома, бежавшего из Европы незадолго до Второй мировой войны. Сергей в конечном итоге стал мужем Пейн, многие исследования они проводили вместе.

Однако оба получали так мало, что не могли позволить даже сад или няню для детей, так что троих их детей часто видели играющими в обсерватории. Шепли также держал Сесилию на низком уровне в профессиональной иерархии, не давал ей должность профессора, советовал другим учреждениям не нанимать ее и «гасил» серьезные исследования. Только в 1954 году, после того как Шепли сменил на посту директора Дональд Мензель, Сесилия Пейн-Гапошкина получила равноценную ее заслугам зарплату. Мензель смог добиться и ее назначения профессором астрономии. Для мира науки это был большой день. 21 июня 1956 года New York Times сообщила, что «[Пейн-Гапошкина] – первая женщина, получившая звание профессора в Гарварде».