Астрономия началась с наблюдений. Люди фиксировали движения Солнца и Луны, составляли календари, выстраивали каменные круги. Позже появились модели планетных циклов и первые попытки объяснить небесные явления. В XVI веке Николай Коперник предложил гелиоцентрическую систему. С тех пор представления о Вселенной начали меняться. Последовали открытия Тихо Браге, Кеплера, Галилео, Ньютона, Герцшпрунга и других. Каждый добавлял в картину мира новые детали.

Звёзды долгое время оставались далёкими и непонятными. Что они собой представляют? Из чего состоят? Ответ пришёл в XX веке от исследовательницы, которая научилась читать их спектры — Сесилии Пейн-Гапошкиной.

В 1925 году 25-летняя Сесилия Пейн-Гапошкина защитила диссертацию, которая изменила представление о звёздах. Научная работа показала, что звёзды состоят преимущественно из водорода и гелия, а все остальные элементы являются лишь примесями. Это противоречило господствующей гипотезе, согласно которой звёзды считались раскалёнными аналогами Земли, состоящими из железа, кремния и кислорода. Работа Пейн-Гапошкиной требовала пересмотра не только состава звёзд, но и всей картины Вселенной. Расчёты Сесилии опирались на квантовую физику, тогда ещё новую для астрофизики, и поэтому вызвали сопротивление. Её попросили смягчить выводы. Но спустя несколько лет оказалось, что она была права.

На признание её работы ушло время. Тогда выводы Сесилии казались слишком радикальными, но сегодня их значение не вызывает сомнений. Определив химический состав звёзд, Пейн-Гапошкина заложила основу для понимания их рождения и эволюции, синтеза химических элементов и сценариев формирования Вселенной. Это был поворотный момент не только в астрофизике, но и в восприятии космоса.

Когда и как всё начиналось

Сесилия Пейн-Гапошкина родилась в 1900 году в Англии, в том же году Макс Планк опубликовал работу о квантовании энергии, положившую начало новой физике. В начале 20 века наука переживала переломный этап: 

• переоткрыли законы наследственности Менделя;

• генетику оформили как самостоятельную дисциплину; 

• в медицине и санитарии произошёл прорыв: уровень детской смертности в Великобритании за первую половину 20 века снизился почти в десять раз;

• атомная теория, ещё недавно спорная, окончательно закрепилась как фундаментальное описание материи.

Эта эпоха была временем, когда привычные представления рушились одно за другим. Классическая физика уступала место квантовой, биология превращалась в точную науку, а сама Вселенная становилась объектом строгого анализа, а не философских спекуляций. В такой интеллектуальной среде росло поколение исследователей, для которых естественным было сомневаться в догмах и искать новые методы.

Позднее Пейн-Гапошкина вспоминала, что ещё в детстве решила посвятить себя науке и боялась, что все тайны природы будут раскрыты раньше, чем она сможет к ним прикоснуться. Для ребёнка это было ощущением гонки со временем, но для будущего учёного — предчувствием того, что именно её поколению предстоит переписать основы знания о мире.

Когда в 1919 году Сесилия поступила в Кембридж, физика находилась в состоянии перестройки. Учёные пытались понять устройство атома и его взаимодействие со светом. История спектроскопии к тому времени уже насчитывала два столетия. Ньютон показал, что свет, проходя через призму, раскладывается в спектр. В начале XIX века Уильям Волластон заметил в солнечном спектре тёмные линии, а позже Роберт Бунзен и Густав Кирхгоф доказали, что эти линии соответствуют определённым химическим элементам. Так спектр стал инструментом для считывания состава вещества.

Механизм возникновения этих линий объяснила квантовая теория: электроны в атоме обладают дискретными уровнями энергии, и чтобы перейти на более высокий уровень, электрон должен поглотить фотон с точно определённой энергией. Разные элементы имеют разные энергетические уровни, поэтому их спектры уникальны и по ним можно идентифицировать вещество.

Кембридж в то время был одним из центров новой физики. В Кавендишской лаборатории Пейн-Гапошкина слушала лекции Дж. Дж. Томсона, открывшего электрон, и Эрнеста Резерфорда, исследователя атомного ядра. Здесь же Нильс Бор представил свою модель атома водорода, в которой дискретные орбитали объясняли спектральные линии. Для Пейн-Гапошкиной это стало прямым мостом от квантовой физики к астрономии. Несколько лет спустя именно этот подход позволил ей впервые прочитать химический состав звёзд.

Через тернии к звёздам

В начале 1920‑х годов для женщин в науке в Великобритании существовало мало возможностей: даже выпускницы Кембриджа чаще всего оказывались в школе, а не в лаборатории. Для Сесилии Пейн-Гапошкиной путь открылся за океаном. В Гарвардской обсерватории в Массачусетсе уже несколько десятилетий работала группа женщин, которых называли «астрономическими вычислителями». Они систематизировали наблюдения, анализировали спектры и создавали каталоги звёзд. Фактически, выполняли роль живых компьютеров.

Благодаря стипендии, учреждённой специально для женщин-астрономов, Пейн-Гапошкина получила возможность провести в обсерватории год. Этот срок вскоре удвоился, а затем превратился в карьеру длиной в жизнь. Когда в 1923 году она садилась на корабль в США, она ещё не знала, что именно там найдёт пространство для исследований, которые изменят астрономию.

К моменту приезда Пейн-Гапошкиной в Гарвард обсерватория уже несколько десятилетий собирала уникальный массив данных — стеклянные фотопластины. На них фиксировали не только изображения неба, но и спектры звёздного света. Эти спектры стали ключом к пониманию химического состава звёзд. «Женщины‑компьютеры» систематически аннотировали и классифицировали эти данные. Одна из них, Энни Джамп Кэннон, разработала систему спектральных классов, которая используется до сих пор. Тогда считалось, что классы отражают различия в составе звёзд. Но существовала иная гипотеза: спектры могут зависеть не от химии, а от физических условий.

Здесь образование Пейн-Гапошкиной в области атомной физики оказалось решающим. Она понимала, что при высоких температурах атомы ионизируются: электроны покидают орбитали, превращая атомы в ионы. Эти ионы создают спектральные линии, которые могут имитировать линии других элементов. Для астрономов это было серьёзной проблемой: звёзды слишком горячие, чтобы их спектры можно было интерпретировать напрямую.

Лишь в начале 1920‑х годов физики начали разрабатывать методы учёта ионизации при анализе спектров. Пейн-Гапошкина оказалась в уникальном положении: у неё был доступ к крупнейшей коллекции спектральных данных и знания, необходимые для применения новых квантовых идей к астрономии. Именно это сочетание позволило ей сделать шаг, который изменил наше представление о составе звёзд.

Когда Сесилия Пейн-Гапошкина училась в Кембридже, индийский астрофизик Мегнад Саха вывел уравнение, связывающее температуру и давление газа с долей ионизированных атомов. Оно позволяло напрямую связать спектральные линии с физическими условиями в атмосферах звёзд. Позднее Эдвард Артур Милн и Ральф Фаулер уточнили формулу, но никто из них не применил её к реальным наблюдениям. Перед отъездом Пейн-Гапошкиной в Гарвард Милн заметил, что именно она могла бы использовать уникальные спектральные пластины обсерватории, чтобы перенести теорию Сахи в практику.

В Гарварде Пейн-Гапошкина сделала это. Она показала, что спектральные классы Энни Джамп Кэннон отражают прежде всего температуру звезды, а не её химический состав. Затем она переработала уравнение Сахи так, чтобы по спектру и температуре можно было вычислить относительное содержание элементов. В своей докторской диссертации 1925 года она представила результат, который изменил астрономию: звёзды состоят почти полностью из водорода и гелия, а все остальные элементы играют второстепенную роль.

История открытия Сесилии Пейн-Гапошкиной долгое время сопровождалась противоречиями. Её выводы встретили сопротивление, а признание за то же открытие спустя несколько лет получил Генри Норрис Рассел, независимо пришедший к тем же результатам. Даже сегодня многие учёные впервые узнают о её вкладе не из учебников, а из дополнительных источников. Но постепенно ситуация меняется. Проведённые Сесилией исследования состава звёзд, а позднее переменных звёзд и структуры галактик, признаны фундаментом современной астрофизики. Методы, которые она применила почти век назад, до сих пор лежат в основе анализа межзвёздных облаков и химической эволюции космоса.

Пейн-Гапошкина стала первой женщиной‑профессором Гарварда и возглавила кафедру астрономии, фактически созданную на основе её докторской диссертации.