Cecilia Payne-Gaposchkin

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Cecilia Helena Payne-Gaposchkin était une astronome et astrophysicienne née en Angleterre et devenue américaine qui a proposé dans sa thèse de doctorat de 1925 que les étoiles étaient composées principalement d'hydrogène et d'hélium. Sa conclusion révolutionnaire a d'abord été rejetée car elle contredisait la sagesse scientifique de l'époque, qui affirmait qu'il n'y avait pas de différences élémentaires significatives entre le Soleil et la Terre. Des observations indépendantes ont finalement prouvé qu'elle avait raison.

Débuts

Cecilia Helena Payne était l'une des trois enfants nés à Wendover dans le Buckinghamshire, en Angleterre, d'Emma Leonora Helena née Pertz et d'Edward John Payne, un avocat, historien et musicien de Londres qui avait été fellow à Oxford. Sa mère venait d'une famille prussienne et avait deux oncles distingués, l'historien Georg Heinrich Pertz et l'écrivain swedenborgiien James John Garth Wilkinson ; sa sœur Florence était pianiste. Le père de Cecilia Payne est décédé alors qu'elle n'avait que quatre ans, forçant sa mère à élever seule la famille.

Cecilia Payne a commencé ses études à Wendover dans une école privée dirigée par Elizabeth Edwards. À l'âge de douze ans, sa mère a déménagé à Londres pour l'éducation du frère de Cecilia, Humfry, qui devint plus tard archéologue. Cecilia a fréquenté St Mary's College, Paddington, où elle n'a pas pu étudier beaucoup de mathématiques ou de sciences, mais en 1918 elle a changé d'école pour St Paul's Girls' School. Là, elle a été encouragée par Gustav Holst, qui enseignait la musique à l'école, à poursuivre une carrière musicale, mais elle préférait se concentrer sur la science. L'année suivante, elle a remporté une bourse qui couvrait toutes ses dépenses à Newnham College, Cambridge University, où elle a d'abord étudié la botanique, la physique et la chimie, mais elle a abandonné la botanique après sa première année. Son intérêt pour l'astronomie a commencé après qu'elle ait assisté à une conférence d'Arthur Eddington sur son expédition de 1919 sur l'île de Príncipe dans le Golfe de Guinée, au large de la côte ouest de l'Afrique, pour observer et photographier les étoiles près d'une éclipse solaire comme test de la théorie générale de la relativité d'Albert Einstein. Elle a dit de la conférence : « Le résultat a été une transformation complète de ma vision du monde. Mon monde avait été tellement secoué que j'ai éprouvé quelque chose de très semblable à une dépression nerveuse. » Elle a complété ses études, mais n'a pas reçu de diplôme en raison de son sexe ; Cambridge n'a accordé des diplômes aux femmes qu'en 1948.

Payne a réalisé que sa seule option de carrière au Royaume-Uni était de devenir enseignante, elle a donc cherché des bourses qui lui permettraient de se déplacer aux États-Unis. Après avoir été présentée à Harlow Shapley, le directeur de l'Observatoire du Harvard College, où il venait d'établir un programme d'études supérieures en astronomie, elle a quitté l'Angleterre en 1923. Cela a été rendu possible par une bourse destinée à encourager les femmes à étudier à l'observatoire. Adelaide Ames était devenue la première étudiante bénéficiaire de la bourse en 1922 ; Payne était la deuxième.

Thèse de doctorat

Shapley a persuadé Payne de rédiger une dissertation de doctorat, et en 1925 elle est devenue la première personne à obtenir un PhD en astronomie du Radcliffe College de Harvard University. Le titre de sa thèse était Stellar Atmospheres; A Contribution to the Observational Study of High Temperature in the Reversing Layers of Stars.

Payne a pu relier avec précision les classes spectrales des étoiles à leurs températures réelles en appliquant la théorie d'ionisation développée par le physicien indien Meghnad Saha. Elle a montré que la grande variation des raies d'absorption stellaires était due à des quantités d'ionisation différentes à différentes températures, et non à des quantités différentes d'éléments. Elle a constaté que le silicium, le carbone et d'autres métaux communs visibles dans le spectre du Soleil étaient présents en quantités relatives à peu près identiques à celles de la Terre, ce qui concorde avec la croyance acceptée de l'époque, selon laquelle les étoiles avaient une composition élémentaire approximativement identique à celle de la Terre. Cependant, elle a découvert que l'hélium et en particulier l'hydrogène étaient beaucoup plus abondants, l'hydrogène l'étant d'un facteur d'environ un million. Sa thèse a conclu que l'hydrogène était le constituant dominant des étoiles (voir Métallicité), ce qui en fait l'élément le plus abondant dans l'Univers.

Cependant, lorsque la dissertation de Payne a été examinée, l'astronome Henry Norris Russell, qui appuyait les théories du physicien américain Henry Rowland, l'a dissuadée de conclure que la composition du Soleil était principalement de l'hydrogène car cela contredirait le consensus scientifique actuel selon lequel la composition élémentaire du Soleil et de la Terre était similaire. En 1914, il avait écrit dans un article académique :

L'accord des listes solaires et terrestres est tel qu'il confirme très fortement l'opinion de Rowland selon laquelle, si la croûte terrestre était portée à la température de l'atmosphère solaire, elle produirait un spectre d'absorption très similaire. Les spectres du Soleil et d'autres étoiles étaient similaires, donc il semblait que l'abondance relative des éléments dans l'univers était comme celle de la croûte terrestre.

L'accord des listes solaires et terrestres est tel qu'il confirme très fortement l'opinion de Rowland selon laquelle, si la croûte terrestre était portée à la température de l'atmosphère solaire, elle produirait un spectre d'absorption très similaire. Les spectres du Soleil et d'autres étoiles étaient similaires, donc il semblait que l'abondance relative des éléments dans l'univers était comme celle de la croûte terrestre.

Payne a par conséquent décrit ses résultats comme « faux ». Quelques années plus tard, l'astronome Otto Struve a décrit son travail comme « la thèse de doctorat la plus brillante jamais écrite en astronomie ». Russell a également réalisé qu'elle avait raison lorsqu'il a obtenu les mêmes résultats par des moyens différents. En 1929, il a publié ses résultats dans un article qui reconnaissait avec admiration les travaux et la découverte antérieurs de Payne ; néanmoins, il est souvent crédité des conclusions qu'elle a atteintes.

Carrière

Après son doctorat, Payne a étudié les étoiles de haute luminosité afin de comprendre la structure de la Voie lactée. Plus tard, elle a observé toutes les étoiles plus brillantes que la dixième magnitude. Elle a ensuite étudié les étoiles variables, en effectuant plus de 1 250 000 observations avec ses assistants. Ce travail a été étendu aux Nuages de Magellan, ajoutant un autre 2 000 000 observations d'étoiles variables. Ces données ont été utilisées pour déterminer les chemins de l'évolution stellaire. Elle a publié ses conclusions dans son deuxième livre, The Stars of High Luminosity 1930. Ses observations et analyses d'étoiles variables, menées avec son mari Sergei Gaposchkin, ont jeté les bases de tous les travaux ultérieurs sur ces objets.

Payne-Gaposchkin est restée scientifiquement active toute sa vie, consacrant toute sa carrière académique à Harvard. Lorsqu'elle a commencé, les femmes n'étaient pas autorisées à devenir professeurs à Harvard, elle a donc passé des années à faire des travaux de recherche moins prestigieux et mal rémunérés. Néanmoins, ses travaux ont abouti à la publication de plusieurs livres, notamment The Stars of High Luminosity 1930, Variable Stars 1938 et Variable Stars and Galactic Structure 1954. Shapley avait fait des efforts pour améliorer sa position, et en 1938, elle a reçu le titre d'« Astronome ». À la demande de Payne, son titre a été changé plus tard en Phillips Astronomer. Elle a été élue Fellow de l'American Academy of Arts and Sciences en 1943. Ses cours n'ont été enregistrés dans le catalogue de l'Université Harvard qu'en 1945.

Lorsque Donald Menzel est devenu directeur de l'Observatoire du Harvard College en 1954, il a essayé d'améliorer sa nomination, et en 1956, elle est devenue la première femme à être promue au grade de professeur titulaire au sein du corps professoral de la Faculté des arts et des sciences de Harvard. Plus tard, avec sa nomination à la direction du Département d'astronomie, elle est également devenue la première femme à diriger un département à Harvard.

Parmi ses étudiants se trouvaient Helen Sawyer Hogg, Joseph Ashbrook, Frank Drake, Harlan Smith et Paul W. Hodge, qui ont tous apporté des contributions importantes à l'astronomie. Elle a également supervisé Frank Kameny, qui est devenu un ardent défenseur des droits des homosexuels.

Payne-Gaposchkin a pris sa retraite de l'enseignement actif en 1966 et a été nommée par la suite professeur émérite de Harvard. Elle a continué sa recherche en tant que membre du personnel de l'Observatoire astrophysique du Smithsonian, ainsi que l'édition des revues et des livres publiés par l'Observatoire Harvard pendant vingt ans.

Héritage

La carrière de Payne a marqué un tournant à l'Observatoire du Harvard College. Sous la direction de Harlow Shapley et du Dr E. J. Sheridan, que Payne-Gaposchkin décrivait comme un mentor, l'observatoire avait déjà offert plus de possibilités en astronomie aux femmes que d'autres institutions, et des réalisations notables avaient été faites plus tôt dans le siècle par Williamina Fleming, Antonia Maury, Annie Jump Cannon et Henrietta Swan Leavitt. Cependant, avec le PhD de Payne, les femmes sont entrées dans le courant dominant.

Le chemin qu'elle a ouvert dans la communauté scientifique largement dominée par les hommes a inspiré beaucoup de gens. Par exemple, elle est devenue un modèle pour l'astrophysicienne Joan Feynman. La mère et la grand-mère de Feynman l'avaient dissuadée de poursuivre la science, car elles croyaient que les femmes n'étaient pas physiquement capables de comprendre les concepts scientifiques. Feynman a été inspirée par Payne-Gaposchkin lorsqu'elle a rencontré une partie de ses travaux dans un manuel d'astronomie. Le fait de voir la recherche de Payne-Gaposchkin publiée de cette manière a convaincu Feynman qu'elle pouvait, en fait, poursuivre ses passions scientifiques.

En acceptant le Henry Norris Russell Prize de l'American Astronomical Society, Payne a parlé de sa passion pour la recherche tout au long de sa vie : « La récompense du jeune scientifique est le frisson émotionnel d'être la première personne dans l'histoire du monde à voir ou à comprendre quelque chose. Rien ne peut se comparer à cette expérience. La récompense du vieux scientifique est le sentiment d'avoir vu une esquisse vague se transformer en un paysage magistral. »

Vie personnelle

Dans son autobiographie, Payne raconte que pendant ses études, elle a créé une expérience sur l'efficacité de la prière en divisant ses examens en deux groupes, en priant pour la réussite sur l'un seulement, l'autre étant un groupe témoin. Elle a obtenu de meilleures notes dans ce dernier groupe. Plus tard, elle est devenue agnostique.

En 1931, Payne est devenue citoyenne américaine. Lors d'un tour en Europe en 1933, elle a rencontré l'astrophysicienne d'origine russe Sergei I. Gaposchkin en Allemagne. Elle l'a aidé à obtenir un visa pour les États-Unis, et ils se sont mariés en mars 1934, s'installant dans la ville historique de Lexington, Massachusetts, à courte distance de Harvard. Payne a ajouté le nom de son mari au sien, et les Payne-Gaposchkin ont eu trois enfants : Edward, Katherine et Peter. La fille de Payne se souvient d'elle comme d'une « couturière inspirée, une tricoteuse inventive et une lectrice vorace ». Payne et sa famille étaient membres de la First Unitarian Church à Lexington, où Cecilia enseignait à l'école du dimanche. Elle était aussi active avec les Quakers. Elle est décédée à son domicile à Cambridge, Massachusetts, le 7 décembre 1979. Peu avant sa mort, Payne avait fait imprimer sa autobiographie en privé sous le titre The Dyer's Hand. Elle a été réimprimée plus tard sous le titre Cecilia Payne-Gaposchkin: An Autobiography and Other Recollections.

Le frère cadet de Payne, Humfry Payne 1902–1936, qui a épousé l'auteure et critique de cinéma Dilys Powell, est devenu directeur de la British School of Archaeology at Athens. La petite-fille de Payne, Cecilia Gaposchkin, est professeure d'histoire culturelle du bas Moyen Âge et d'histoire française au Dartmouth College.

Honneurs et distinctions

• Membre élue de la Royal Astronomical Society alors qu'elle était encore étudiante à Cambridge 1923
• Annie J. Cannon Award in Astronomy 1934 – première récipiendaire
• Membre de l'American Philosophical Society 1936
• Membre de l'American Academy of Arts and Sciences 1943
• Award of Merit du Radcliffe College 1952
• Rittenhouse Medal de la Rittenhouse Astronomical Society au Franklin Institute 1961
• Professeure émérite de Harvard University 1967
• Henry Norris Russell Lectureship de l'American Astronomical Society 1976
• Cecilia Payne-Gaposchkin Doctoral Dissertation Award in Astrophysics de l'American Physical Society (renommée en 2018)
• Diplômes honorifiques de Rutgers University, Wilson College, Smith College, Western College, Colby College et du Women's Medical College of Pennsylvania
• Astéroïde 2039 Payne-Gaposchkin nommé en son honneur
• Le volcan Payne-Gaposchkin Patera sur Vénus est nommé en son honneur.
• L'un des télescopes ASAS-SN déployés en Afrique du Sud a été nommé en son honneur.
• Le Institute of Physics Cecilia Payne-Gaposchkin Medal and Prize a été créé en son honneur en 2008.

Bibliographie sélective

Livres académiques publiés :

• The Stars of High Luminosity 1930
• Variable Stars 1938
• Variable Stars and Galactic Structure 1954
• Introduction to Astronomy 1954
• The Galactic Novae 1957

Articles de recherche significatifs :

• —— 1936, "On the Physical Condition of the Supernovae", Proceedings of the National Academy of Sciences, 22 6: 332–6, Bibcode:1936PNAS...22..332P, doi:10.1073/pnas.22.6.332, JSTOR 86556, PMC 1076773, PMID 16588077
• Whipple, F. L.; —— 1936, "On the Bright Line Spectrum of Nova Herculis", Proceedings of the National Academy of Sciences, 22 4: 195–200, Bibcode:1936PNAS...22..195W, doi:10.1073/pnas