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Cecilia Helena Payne-Gaposchkinはイギリス生まれのアメリカ人天文学者・天体物理学者で、1925年の博士論文で恒星が主に水素とヘリウムで構成されていることを提唱しました。彼女の革新的な結論は当初、太陽と地球の間に有意な元素差がないという当時の科学的常識に矛盾していたため拒否されましたが、独立した観測により彼女が正しかったことが証明されました。
初期の人生
Cecilia Helena Payneはイギリスのバッキンガムシャー州Wendoverで生まれた3人の子どもの1人で、母親はEmma Leonora Helena née Pertz、父親はロンドンの弁護士で歴史家・音楽家であり、オックスフォードのフェロー経験者のEdward John Payneでした。彼女の母親はプロイセンの家族出身で、歴史家Georg Heinrich Pertzとスウェーデンボルグ派の作家James John Garth Wilkinsonという著名な叔父を2人持っていました。彼女の姉Florence はピアニストでした。Cecilia Payneの父親は彼女が4歳の時に亡くなり、母親は1人で家族を育てることになりました。
Cecilia Payneはイギリスで、Elizabeth Edwardsが経営するWendoverの私立学校で学校教育を始めました。12歳の時、母親はCeciliaの兄Humfryの教育のためにロンドンに引っ越しました。Humfryは後に考古学者になりました。Ceciliaはセント・メアリーズ・カレッジ・パディントンに通いましたが、そこではあまり数学や理科を学ぶことができませんでしたが、1918年にセント・ポール女子学校に転校しました。そこで学校で音楽を教えていたGustav Holstに音楽のキャリアを追求するよう勧められましたが、彼女は科学に焦点を当てることを好みました。翌年、彼女はケンブリッジ大学Newnham Collegeでの全費用をカバーする奨学金を獲得しました。そこで彼女は最初に植物学、物理学、化学を学びましたが、1年目の後に植物学を中止しました。彼女の天文学への関心は、アルバート・アインシュタインの一般相対性理論をテストするために、アフリカ西海岸沖のギニア湾のPríncipe島への1919年の遠征で星を観察・撮影するというArthur Eddingtonの講演に参加した後に始まりました。彼女はこの講演について次のように述べています。「その結果は、私の世界観の完全な変革でした。私の世界はとても揺さぶられ、神経衰弱に非常に似た何かを経験しました。」彼女は研究を完了しましたが、彼女の性別のため学位を授与されませんでした。ケンブリッジは1948年まで女性に学位を与えませんでした。
Payneは、イギリスでの唯一のキャリアオプションは教師になることであることに気づき、アメリカに移動できるようにするための助成金を探しました。Harvard College Observatoryの所長であり、天文学の大学院プログラムを確立したばかりであったHarlow Shapleyに紹介された後、彼女は1923年にイギリスを離れました。これは女性がこの観測所で学ぶことを奨励するためのフェローシップによって可能になりました。Adelaide Amesは1922年にこのフェローシップの最初の学生になり、2番目の学生はPayneでした。
博士論文
ShapleyはPayneに博士論文を書くよう説得し、1925年に彼女はHarvard UniversityのRadcliffe Collegeから天文学の博士号を取得した最初の人物となりました。彼女の論文のタイトルは「Stellar Atmospheres; A Contribution to the Observational Study of High Temperature in the Reversing Layers of Stars」でした。
Payneはインドの物理学者Meghnad Sahaが開発したイオン化理論を適用することで、恒星の分光級を彼らの実際の温度に正確に関連付けることができました。彼女は、恒星吸収線の大きな変動は、異なる元素の量ではなく、異なる温度でのイオン化の異なる量によるものであることを示しました。彼女は、太陽のスペクトルで見られるケイ素、炭素、および他の一般的な金属が、地球上とほぼ同じ相対量で存在することを発見し、これは恒星が地球とほぼ同じ元素組成を持っているという当時の受け入れられた信念と一致していました。しかし、彼女はヘリウムと特に水素がはるかに豊富であることを発見し、水素の場合は約100万倍でした。彼女の論文は、水素が恒星の圧倒的な成分であることを結論付けました。「金属量」を参照してください。これにより、水素は宇宙で最も豊富な元素となりました。
しかし、Payneの論文がレビューされたとき、アメリカの物理学者Henry Rowlandの理論を支持する天文学者Henry Norris Russellは、太陽の組成が主に水素であるという結論から彼女を思いとどまらせました。なぜなら、それは太陽と地球の元素組成が類似しているという現在の科学的コンセンサスに矛盾するからです。1914年に、彼は学術論文で次のように書きました。
太陽と地球の列表の一致は、Rowlandの見解を非常に強く確認しています。すなわち、地球の地殻が太陽の大気の温度に上げられた場合、非常に類似した吸収スペクトルが与えられるでしょう。太陽と他の恒星のスペクトルは類似していたため、宇宙における元素の相対存在度は地球の地殻のそれのようであるように見えました。
太陽と地球の列表の一致は、Rowlandの見解を非常に強く確認しています。すなわち、地球の地殻が太陽の大気の温度に上げられた場合、非常に類似した吸収スペクトルが与えられるでしょう。太陽と他の恒星のスペクトルは類似していたため、宇宙における元素の相対存在度は地球の地殻のそれのようであるように見えました。
その結果、Payneは彼女の結果を「偽りの」ものと説明しました。数年後、天文学者Otto Struveは彼女の仕事を「天文学で書かれた最も優れた博士論文」と述べました。Russellはまた、異なる手段で同じ結果を導き出したときに彼女が正しかったことに気づきました。1929年に、彼は彼女の以前の仕事と発見を敬意を持って認める論文でその発見を発表しました。しかし、彼は彼女が達成した結論のためにしばしば信用されています。
キャリア
博士号を取得した後、Payneは銀河系の構造を理解するために高光度の恒星を研究しました。後に彼女は10等級より明るいすべての星を調査しました。それから彼女は変光星を研究し、彼女のアシスタントと共に125万回以上の観測を行いました。この仕事は後にMagellanic Cloudsに拡張され、変光星のさらに200万回の観測が追加されました。これらのデータは恒星進化の径路を決定するために使用されました。彼女は2番目の著書「The Stars of High Luminosity 1930」でその結論を発表しました。彼女と彼女の夫Sergei Gaposchkinで行われた変光星の観測と分析は、その後のそのような物体に関するすべての研究の基礎を築きました。
Payne-Gaposchkinは彼女の人生を通じて科学的に活動的であり、Harvardで彼女の全学術キャリアを過ごしました。彼女が始めた時、女性はHarvardで教授になることを禁じられていたため、彼女は何年も名声が低く、低給の研究職をしていました。それにもかかわらず、彼女の仕事は「The Stars of High Luminosity 1930」、「Variable Stars 1938」、「Variable Stars and Galactic Structure 1954」を含むいくつかの出版された本をもたらしました。Shapleyは彼女の立場を改善するための努力をしており、1938年に彼女は「天文学者」の称号を与えられました。Payneの要請により、彼女の称号は後にPhillips天文学者に変更されました。彼女は1943年にアメリカ芸術科学アカデミーのフェロー選出されました。彼女のコースはHarvard University カタログに1945年まで記録されませんでした。
Donald MenzelがHarvard College Observatoryの所長になった1954年に、彼は彼女の任免を改善しようとし、1956年に彼女はHarvardの芸術科学部から昇進した最初の女性教授になりました。後に、彼女はAstronomy学部の議長に任命され、彼女はHarvardで部局を率いる最初の女性にもなりました。
彼女の学生にはHelen Sawyer Hogg、Joseph Ashbrook、Frank Drake、Harlan Smith、Paul W. Hodgeが含まれており、全員が天文学に重要な貢献をしました。彼女はまたFrank Kamenyを監督しました。Kamenyは同性愛者の権利の著名な提唱者になりました。
Payne-Gaposchkinは1966年に活動的な教育から引退し、その後Harvardの名誉教授に任命されました。彼女はSmithsonian Astrophysical Observatoryのスタッフメンバーとして研究を続け、20年間Harvard Observatoryによって出版されたジャーナルと本の編集をしました。
遺産
PayneのキャリアはHarvard College Observatoryの転換点を示しました。Harlow Shapley と Payne-Gaposchkinがメンターと述べたDr E. J. Sheridanの指導下で、観測所はすでに他の機関よりも天文学で女性にもっと多くの機会を提供していました。そして、Williamina Fleming、Antonia Maury、Annie Jump Cannon、およびHenrietta Swan Leavittによる世紀初期に著名な成果がすでになされていました。しかし、Payneの博士号により、女性は主流に入りました。
彼女が男性支配的な科学コミュニティに切り拓いた道は、多くの人々にインスピレーションを与えました。たとえば、彼女は天体物理学者Joan Feynmanの役割モデルになりました。Feynmanの母親と祖母は、女性は科学的概念を理解する物理的な能力がないと信じていたため、彼女が科学を追求することを思いとどまらせていました。Feynmanは後に、天文学の教科書でPayne-Gaposchkinの仕事のいくつかに出くわしたときに、Payne-Gaposchkinに触発されました。Payne-Gaposchkinの研究がこのように出版されているのを見ることで、Feynmanは実際に彼女の科学的情熱を追求できると確信しました。
Payneはアメリカ天文学会からHenry Norris Russell賞を受け入れながら、研究への生涯の情熱について語りました。「若い科学者の報酬は、世界の歴史で初めて何かを見たり、理解したりする人になることの感情的興奮です。何もそれと比較することはできません。老齢の科学者の報酬は、漠然としたスケッチが巧みな風景に成長するのを見てきたことの感覚です。」
個人的な人生
Payneは彼女の自伝の中で、学校にいた間に祈りの有効性に関する実験を作成したと語っています。試験を2つのグループに分け、1つだけで成功を祈り、もう1つはコントロールグループでした。彼女は後のグループでより高い成績を達成しました。後に、彼女は不可知論者になりました。
1931年に、Payneはアメリカ市民になりました。1933年のヨーロッパツアーで、彼女はドイツでロシア生まれの天体物理学者Sergei I. Gaposchkinに会いました。彼女は彼がアメリカへのビザを取得するのを助け、1934年3月に結婚し、マサチューセッツ州のLexingtonの歴史的な町に定住しました。Payneは彼女の名前に夫の名前を追加し、Payne-Gaposchkin夫妻は3人の子どもがいました。Edward、Katherine、Peterです。Payneの娘は彼女を「インスピレーションを受けた仕立て屋、創意工夫のニッター、そして貪欲な読者」として覚えています。Payneと彼女の家族はLexingtonのFirst Unitarian Churchの会員であり、Ceciliaは日曜学校を教えました。彼女はまたQuakersで活動していました。彼女は1979年12月7日にマサチューセッツ州ケンブリッジの彼女の家で亡くなりました。彼女の死の直前に、Payneは彼女の自伝を「The Dyer's Hand」として私費で印刷しました。それは後に「Cecilia Payne-Gaposchkin: An Autobiography and Other Recollections」として再版されました。
Payneの弟Humfry Payne（1902-1936年）は、著者・映画批評家Dilys Powellと結婚し、アテネの英国考古学学校の所長になりました。Payneの孫娘Cecilia Gaposchkinはダートマス大学の後期中世文化史およびフランス史の教授です。
名誉と賞
- ケンブリッジの学生であった時にRoyal Astronomical Societyの選出会員（1923年）
- 天文学のAnnie J. Cannon Award 1934年 – 最初の受賞者
- American Philosophical Societyのメンバー 1936年
- American Academy of Arts and Sciencesのメンバー 1943年
- Radcliffe Collegeからの功績賞 1952年
- Franklin InstituteのRittenhouse Astronomical SocietyからのRittenhouse Medal 1961年
- Harvard UniversityのProfessor Emerita 1967年
- American Astronomical SocietyのHenry Norris Russell Lectureship 1976年
- American Physical Societyの博士論文賞が2018年にCecilia Payne-Gaposchkin博士論文賞天体物理学に改名されました
- Rutgers University、Wilson College、Smith College、Western College、Colby College、およびペンシルバニア女性医科大学からの名誉学位
- 小惑星2039 Payne-Gaposchkinが彼女にちなんで名付けられました
- 金星のPayne-Gaposchkin Pateraボルケーノが彼女にちなんで名付けられています。
- 南アフリカに配置されたASAS-SNテレスコープの1つが彼女にちなんで名付けられました。
- Institute of PhysicsCecilia Payne-Gaposchkin Medal and Prize 2008年に彼女の名誉で命名されました。
厳選された参考文献
出版された学術書：
- The Stars of High Luminosity 1930
- Variable Stars 1938
- Variable Stars and Galactic Structure 1954
- Introduction to Astronomy 1954
- The Galactic Novae 1957
重要な研究論文：
- —— 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
