L'astronomie est la science la plus ancienne, et le ciel fait partie de nos premiers laboratoires. Bien avant le mot écrit, les gens ont érigé des cercles de pierre pour encadrer les premiers rayons de l'aube du solstice d'été, des calendriers lunaires gravés en os et ont tiré les planètes dans leurs mythes. Finalement, nous avons appris à mesurer les cieux et, au XVIe siècle, la révolution copernicaine a réécrit notre place dans le monde en eux. Mais pendant tous les longs millénaires que les hommes de science avaient regardé les cieux, c'était une femme qui serait la première à vraiment connaître les étoiles.
Cecilia Payne-Gaposchkin n'avait que 25 ans lorsqu'elle a découvert de quoi les étoiles sont faites: l'hydrogène, l'hélium et juste une pincée de presque tous les autres éléments. Sa conclusion en 1925 a été parmi les premières tentatives réussies pour appliquer le champ naissant de la physique quantique aux observations des étoiles, et elle a été immédiatement controversée. À l'époque, les astronomes croyaient que les étoiles étaient essentiellement des terres chaudes – des orbes à incandescence de fer, du silicium et des autres éléments lourds qui constituent notre monde rocheux. Payne-Gaposchkin, une jeune astronome, demandait à ses collègues seniors de jeter tout ce qu'ils pensaient savoir sur les stars et d'écrire l'univers à nouveau.
Cela a pris un certain temps. Mais, finalement, ils l'ont fait.
«Vous ne pouvez pas surestimer l'impact», explique l'astronome David Charbonneau de l'Université Harvard. En révélant les trucs des étoiles, Payne-Gaposchkin a ouvert la voie à la compréhension de la façon dont les étoiles se forment et évoluent, d'où viennent les éléments chimiques et même comment l'univers a commencé. «Cela a révolutionné notre image du cosmos.»
Au milieu de la révolution quantique
Payne-Gaposchkin est né en 1900 en Angleterre, la même année que Max Planck a aperçu un premier aperçu du monde quantique à travers son travail sur la façon dont les objets chauds émettent de la lumière. Les lois sur l'héritage de Gregor Mendel ont été redécouvertes et un nouveau domaine, la génétique, commençait à prendre forme. Grâce aux percées dans l'assainissement et la médecine, la mortalité infantile était en baisse sans précédent: entre 1900 et 1950 en Grande-Bretagne, il passerait de 23% à seulement 3,7%. Et les scientifiques s'étaient finalement convaincus que l'univers était fait d'atomes – quelque chose que l'on pouvait encore contester respectueusement jusqu'au moment de la naissance de Payne-Gaposchkin.
Il devait lui sembler qu'il n'y avait rien que la nature puisse cacher à un esprit curieux. «À un très jeune âge», se souvient Payne-Gaposchkin dans son autobiographie de 1979 La main du teinturier« J'ai décidé de faire des recherches, et j'ai été saisi de panique à l'idée que tout pourrait être trouvé avant d'être assez vieux pour commencer! »
Il n'y avait, bien sûr, pas besoin de panique. Lorsque Payne-Gaposchkin est arrivé à l'Université de Cambridge en 1919, les physiciens s'approchaient toujours de la structure de base et du comportement des atomes, en particulier de la façon dont ils interagissent avec la lumière.
Des siècles auparavant, les scientifiques avaient réalisé que la lumière coulait à travers un prisme qui se couche dans un arc-en-ciel, ce que Isaac Newton a surnommé un «spectre». Au début des années 1800, le scientifique anglais William Hyde Wollaston a utilisé un prisme pour salir la lumière du soleil dans un spectre. Cela a révélé un arc-en-ciel gappy, interrompu avec de mystérieuses lignes vierges que personne n'avait remarquées auparavant. Au milieu des années 1800, les scientifiques allemands Robert Bunsen et Gustav Kirchhoff ont réalisé que ces lignes, qui apparaissent dans les spectres non seulement des étoiles mais de tout ce qui met la lumière, étaient les empreintes digitales spectrales d'éléments chimiques spécifiques.
Ces lacunes dans les spectres découlent de la nature quantique des atomes. Dans un atome, les électrons chargés négativement occupent des régions d'espace autour du noyau appelé orbitales. Les énergies des électrons dans différentes orbitales sont «quantifiées», ce qui signifie qu'elles ne peuvent avoir que des valeurs spécifiques et discrètes, comme des échelons sur une échelle. Pour monter une étape, les électrons doivent absorber un photon ou un paquet de lumière quantique, avec exactement la bonne quantité d'énergie. Ils ne peuvent que grimper de l'échelle à l'échelle – et jamais dans les lacunes entre les échelons.
La longueur d'onde de la lumière correspond à son énergie; La lumière plus rouge est moins énergique que la lumière violette. Et les électrons dans différents éléments chimiques ont des niveaux d'énergie différents – les «échelons» sur leurs échelles d'énergie orbitale sont à différentes hauteurs. Ainsi, différents éléments absorbent les photons de différentes longueurs d'onde. Cela permet aux scientifiques de lire les lacunes spectrales comme une sorte de code-barres chimiques.
Lorsque Payne-Gaposchkin est arrivé à Cambridge, il n'y avait peut-être pas de meilleure place dans le monde pour étudier la physique atomique. Au Cavendish Laboratory – un laboratoire de physique expérimentale pionnière – Payne-Gaposchkin a appris de géants comme JJ Thomson, qui a découvert l'électron, et Ernest Rutherford, un pionnier de la physique nucléaire. Lorsque Niels Bohr a visité le laboratoire pour partager sa nouvelle compréhension quantique de l'atome d'hydrogène, avec des électrons zippant autour du noyau en orbitales discrètes, il a montré que ce schéma pouvait être utilisé pour prédire les lignes spectrales d'hydrogène. Payne-Gaposchkin était un converti prêt à la révolution quantique qu'il a évangélisée. Quelques années plus tard, cette révolution serait son chemin vers les étoiles.
Le monde atomique rencontre les étoiles
Tout d'abord, cependant, elle avait besoin d'un emploi. Pour les jeunes femmes anglaises brillantes dans les années 1920, il n'y avait généralement qu'un seul chemin professionnel, et cela a conduit à l'école. Mais un océan à l'extérieur, dans un autre Cambridge, il y avait une place pour elle à l'Observatoire de Harvard dans le Massachusetts. Il a fait pendant des décennies des femmes comme «ordinateurs astronomiques». Avec le soutien d'une bourse pour femmes astronomes de Harvard, Payne-Gaposchkin a eu la chance de mener des recherches à l'Observatoire pendant un an. Cette année se transformerait en deux, puis en une vie. Mais Payne-Gaposchkin ne pouvait pas le savoir lorsqu'elle est montée à bord d'un navire en 1923 pour commencer une nouvelle vie aux États-Unis.
Pour Franciele Kruczkiewicz, astrochimiste à l'Université de Leiden aux Pays-Bas, cette partie de l'histoire de Payne-Gaposchkin frappe un nerf. «J'ai lié à Cecilia», dit-elle. «J'ai quitté le Brésil pour aller en Europe, où je pouvais aussi suivre mes rêves.» Avoir Payne-Gaposchkin comme modèle l'a fait se sentir moins seule.
À partir des années 1880, l'Observatoire de Harvard a produit une énorme collection de données astronomiques sous forme de plaques de verre. Ces surfaces plates ont été recouvertes de produits chimiques sensibles à la lumière et utilisées pour photographier le ciel. Mais plus intéressants pour Payne-Gaposchkin, ils ont également été utilisés pour collecter des spectres stellaires.
Au cours des décennies avant l'arrivée de Payne-Gaposchkin à Harvard, les femmes ordinateurs avaient soigneusement annoté une grande partie de ces données spectrales. Un ordinateur, Annie Jump Cannon, avait même conçu un système de regroupement des étoiles en classes en fonction de leurs fonctionnalités spectrales qui sont encore utilisées aujourd'hui. Les astronomes pensaient que ces classes correspondaient aux étoiles de différentes compositions. Mais il y avait une autre possibilité que Payne-Gaposchkin, avec sa formation en physique atomique et l'accès aux assiettes en verre de Harvard, était dans une position unique pour tester.
À des températures élevées, les atomes ionize; Leurs électrons absorbent suffisamment d'énergie pour se libérer de la prise du noyau et se dérouler. Les ions se sont masqués comme autres atomes, produisant des lignes spectrales qui imitent celles des éléments adjacents sur le tableau périodique. C'est un problème pour les astronomes car les étoiles sont très chaudes. Ce qui signifie qu'ils sont pleins d'ions.
Ce n'est qu'au début des années 1920 que les scientifiques ont commencé à comprendre comment expliquer ce fait lors de l'analyse des spectres stellaires.
Lacunes dans les spectres stellaires
Alors que Payne-Gaposchkin apprenait la physique au Cavendish Lab, un astrophysicien à moitié d'un monde en Inde nommé Meghnad Saha a conçu une formule reliant la température et la pression d'un gaz à la fraction des atomes qui avaient perdu des électrons et devenaient des ions. C'était la clé pour connecter les propriétés des lacunes dans les spectres stellaires aux conditions physiques réelles – et aux compositions – des étoiles. La formule de Saha a été améliorée par l'astrophysicien Edward Arthur Milne et le mathématicien Ralph Fowler, tous deux à l'Université de Cambridge. Mais ni Saha, Milne ni Fowler n'avaient appliqué les équations d'ionisation à de réelles observations des étoiles. Peu de temps avant que Payne-Gaposchkin ne partage pour Harvard, Milne lui a dit que s'il était à sa place, il utiliserait les assiettes en verre de Harvard pour passer le travail de Saha de la théorie à la pratique.
Au cours de ses deux premières années occupées à Harvard, c'est exactement ce qu'elle a fait. En utilisant la théorie de l'ionisation thermique de Saha, Payne-Gaposchkin a montré que les classes spectrales de Cannon reflétaient les différences principalement dans les températures des étoiles, pas leurs compositions. Mais Payne-Gaposchkin n'a pas été terminé. Elle a transformé l'équation de Saha pour prendre le spectre et la température d'une étoile, puis déterminer les abondances relatives des éléments et des ions qui se sont inventés. Selon ses calculs, publiés dans son doctorat désormais légendaire. La thèse en 1925, l'hydrogène et l'hélium dominent absolument les compositions des étoiles.
Les atomes les plus simples étaient l'étoffe de l'univers.
L'héritage durable
Beaucoup a été écrit sur la façon dont le travail de Payne-Gaposchkin a rencontré l'opposition et comment un autre scientifique, un homme du nom de Henry Norris Russell, a reçu un crédit pour la même conclusion après avoir tiré indépendamment les mêmes conclusions quelques années plus tard. Kruczkiewicz dit qu'elle a appris la découverte de Payne-Gaposchkin sans en apprendre davantage sur elle – Kruczkiewicz a entendu parler pour la première fois de Payne-Gaposchkin d'une émission de télévision, pas d'un manuel. Emma Chapman, une astrophysicienne à l'Université de Nottingham en Angleterre, dit également qu'elle a découvert les contributions de Payne-Gaposchkin à l'astronomie uniquement tout en traçant l'histoire de l'astrophysique pour son livre en 2021 Première lumière.
Mais Payne-Gaposchkin commence à obtenir la reconnaissance qu'elle mérite, dit Charbonneau. Aujourd'hui, son travail sur les compositions des étoiles – et plus tard, sur des étoiles variables et les structures des galaxies – est largement reconnue comme ayant jeté les bases de l'astrophysique moderne. Kruczkiewicz, qui étudie la composition des nuages interstellaires en utilisant des méthodes liées à ceux de Payne-Gaposchkin pionniers il y a 100 ans, voit son travail comme l'une des pierres de fondation non seulement de l'astrophysique, mais aussi de l'astrochimie.
«Je dis qu'elle est l'une des premières astrochimistes parce que c'est elle qui a découvert la composition de l'univers», dit-elle. Chapman étudie les toutes premières étoiles, qui se sont fusionnées de l'hydrogène et de l'hélium laissées du Big Bang. Cette poursuite doit une dette sérieuse à la prise de conscience de Payne-Gaposchkin que l'univers abonde dans des éléments légers.
«Elle était critique en nous commençant à comprendre ce qu'était une étoile et comment elle était différente du sol sous nos pieds, de la planète Terre», explique Chapman.
La découverte de Payne-Gaposchkin se dresse à côté de la découverte du contexte des micro-ondes cosmiques – la rémanence du Big Bang – et les premières exoplanètes en tant que jalon majeur de l'astrophysique, explique Charbonneau, qui préside le département de l'astronomie que le ph.d. thèse établie efficacement. Les scientifiques derrière ces autres découvertes ont remporté des prix Nobel. Payne-Gaposchkin ne l'a pas fait. Il est impossible de ne pas se demander si les choses auraient pu être différentes si elle avait été un homme.
Payne-Gaposchkin a finalement été la première femme promue au professeur titulaire à Harvard et présidente du département d'astronomie. Comme elle le refléterait plus tard: «La vérité prévaudra finalement. Le non-sens tombera de son propre poids, par une sorte de droit intellectuel de la gravitation.»
