Cecilia Payne-Gaposchkin leverede et af astronomiens største gennembrud - i en mandsdomineret verden
Først blev hendes ph.d.-afhandling afvist. Konklusionen var umulig. Men senere blev det erkendt, at afhandlingen var den mest fremragende i astronomiens historie.

Cecilia Payne på sit kontor på Harvard Universitetet. (Foto: CC0 1.0)

Cecilia Payne på sit kontor på Harvard Universitetet. (Foto: CC0 1.0)

For 100 år siden - i 1920'erne - mente de fleste astronomer, at Solen måtte være opbygget af de samme stoffer som Jorden, både hvad angik indhold og fordeling af grundstoffer.

Solen og planeterne var jo oprindelig dannet ud fra den samme gassky, og det var derfor naturligt at forestille sig, at Solen og planeterne havde samme opbygning.

De tre mest almindelige grundstoffer på Jorden er jern, ilt og silicium med kun meget små mængder af brint og helium. Og man kan godt forstå, at astronomerne dengang mente, at Solen havde en tilsvarende sammensætning.

Men så i 1925 dukkede en dristig ung astronom Cecilia Payne på bare 25 år op med sin ph.d.-afhandling, der fortæller, at ikke bare Solen, men også alle de andre stjerner næsten udelukkende er opbygget af brint og helium - de to letteste grundstoffer. Og dertil kun ganske små mængder af alle øvrige grundstoffer.

Det faldt bestemt ikke i god jord hos de klassiske og berømte astronomer. De holdt på deres opfattelse om, at Solen og Jorden er ens i opbygning, og mange mente, at Payne måtte have taget alvorlig fejl i sine konklusioner i ph.d.-afhandlingen.

Hun blev endda opfordret til i slutningen af sin afhandling at tage det forbehold, at hendes udregninger muligvis var forkerte, da de i den grad stred mod de ’videnskabelige kendsgerninger’.

Der gik nu ikke mange år, før de etablerede astronomer gradvis kom frem til samme konklusion som Cecilia Payne, og nu blev hendes afhandling regnet for et helt banebrydende arbejde.

I stedet lød det nu fra mange førende astronomer, at Cicilia Paynes ph.d.-afhandling var den mest fremragende i astronomiens historie. Afhandlingen blev et vendepunkt både for Cecilia Payne og for astronomien.

Så lad os se på historien bag denne energiske engelske kvinde, der gav de mandlige astronomer baghjul for knap 100 år siden.

Faderen druknede i en kanal

Cecilia Helena Payne blev født 10. maj 1900 ind i en velstillet familie i den lille by Wendover, der ligger godt 50 km vest for London. Faderen Edward John Payne var advokat og dommer og i sin fritid en begavet musiker og historiker. Moderen Emma Leonora Helena var en anerkendt kunstner af tysk familie. Cecilia er den førstefødte af familiens tre børn.

Og hun er et videbegærligt barn, der næsten ikke kan komme hurtigt nok i gang med at opdage verden omkring sig. Den musikalske far spillede for hende på klaveret og lærte hende om musik og skalaer, allerede fra hun var bare to år.

På denne måde lærte hun at kunne genkende tonehøjder og tilegnede sig noget, der nærmer sig absolut gehør. Cecilia mindes, hvordan faderen fyldte hjemmet med musik og glæde.

Det var et fint minde at tage med sig. For allerede da Cecilia var bare fire år, indtraf tragedien. Faderen druknede i en kanal, og Cecilias mor var nu alene med tre små børn. Men hun var en stærk kvinde, der var fast besluttet på, at børnene skulle have en god opvækst og uddannelse. De to yngre søskende, en bror og en søster, blev henholdsvis arkæolog og arkitekt.

Cecilia tog musikken med sig, men var også meget optaget af naturen. En lille opdagelse havde påvirket hende meget. Som otte-årig havde hun ude i naturen genkendt en sjælden blomst, en bi-orkidé, alene ud fra den beskrivelse, hendes mor havde lært hende.

Ophrys apifera. (Foto: Bernard DUPONT / CC BY-SA 2.0)

Miss Elizabeths pigeskole giver en solid start på skolegangen

Cecilia var bare seks år, da hun begyndte i en skole for småpiger under ledelse af en myndig dame, Miss Elizabeth Edwards, der lærte børnene, at kvinden var det stærke køn. Hun kørte undervisningen med en næsten militær disciplin - børnene gik ikke, de marcherede. Og hver dag begyndte med en patriotisk sang.

Miss Edwards var dog først og fremmest en dygtig lærer. Eleverne lærte både at læse og regne og tillige indøve lange poetiske digte udenad. Gradvis kom både fransk og tysk og endda elementært latin på skoleskemaet. Matematik og ikke mindst hovedregning blev heller ikke forsømt.

Cecilia mindedes senere, at denne start på skolegangen med årene havde udviklet hendes hukommelse til et meget højt niveau, til stor gavn for hendes senere virke indenfor videnskaben.

Fakta
Om artiklens forfattere

Helle og Henrik Stub er begge cand.scient'er fra Københavns Universitet i astronomi, fysik og matematik.

I snart 50 år har parret beskæftiget sig med at formidle astronomi og rumfart gennem radio, fjernsyn, bøger og foredrag og kurser.

De skriver om aktuelle astronomiske begivenheder for Videnskab.dk, hvor de går under kælenavnet 'Stubberne'.

Familien flytter til London

Da Cecilia var 12 år flyttede familien til London i den hensigt at lette adgangen til uddannelse for de tre børn. For Cecilia var det noget af et chok at flytte fra den lille by midt i naturen til en støvet storby. Dertil kom en ny skole, der slet ikke levede op til Miss Edwards niveau.

Cecilia kedede sig kort sagt i skolen. Hun måtte tage situationen i egen hånd og fandt nu frem til bøger om naturvidenskab, heriblandt Newtons ’Principia’.

Videre til St. Paul's Pigeskole i London - og møde med Gustav Holst

Heldigvis kom Cecilia videre og afsluttede skoleuddannelsen et meget bedre sted, på St. Paul's Pigeskole i London. Det mest bemærkelsesværdige her var, at hun fik komponisten Gustav Holst (1874-1934) til lærer i musik. Vi kender især Gustav Holst for hans orkestersuite ’Planeterne’, hvor han tildeler hver af Solsystemets planeter et stykke musik, der afspejler planetens ’temperament’.

Gustav Holst fik øje på Cecilias evner. Lige siden sin barndom havde hun fulgt op på det grundlag, hendes far havde givet hende på klaveret. Nu var hun en dygtig pianist.

Og det opdager Gustav Holst. Han tilskynder hende til at vælge en karriere indenfor musikken. Cecilia er meget betaget af dette. Hun føler for første gang, siden hun mistede sin far, at hun har mødt et menneske, som kunne forstå hendes interesse for musik. Hele livet bevarede hun denne interesse, men det blev naturvidenskaben, hun vendte sig mod i den videre uddannelse.

Videre til studier i Cambridge

Nu var den elementære skolegang afsluttet, og den nu 19-årige Cecilia sigter videre mod universitetsstudier i Cambridge. Hun har ikke mange penge at gøre godt med, men fra starten er hun så heldig at få tildelt det eneste studielegat, man kunne søge på Cambridge.

Som en arv fra barndommen vælger hun til at begynde med botanik, men nysgerrig som hun var, beslutter hun også at følge forelæsninger i fysik. Og dette valg bliver skelsættende. Nu møder hun flere af de førende fysikere i England på den tid.

Det er navne som Ernest Rutherford (1871-1937), der udviklede den såkaldte ’solsystemsmodel’ for atomet, J. J. Thomson (1856-1940), der opdagede elektronen og endda vores egen Niels Bohr (1885-1962), der leverede den kvantemodel for atomet, der kom til at afløse Rutherfords atommodel. De var alle tre nobelpristagere og på det tidspunkt tilknyttet Cavendish Laboratoriet.

Det var netop her, Cecilia Payne hørte deres forelæsninger, og samtidig fik hun mulighed for at arbejde i laboratoriet.

Mødet med fysikerne blev et vendepunkt for Cecilia. Fra da af blev botanikken lagt på hylden, og nu koncentrerede hun sig helt om studier i fysik med drejning mod astronomien, som dog dengang blot var en del af matematikfaget.

Så indtraf et nyt gennembrud for den videbegærlige studerende. Cecilia mødte den berømte fysiker og astronom Arthur Eddington (1882-1944). Han var blandt de første, der havde læst Einsteins svært tilgængelige almene relativitets teori fra 1916 og endda oversat den til engelsk.

Hun kunne slet ikke glemme de forelæsninger, som Eddington havde givet om relativitetsteorien. Faktisk tilbragte hun flere søvnløse nætter med at forsøge at tilegne sig de vanskelige begreber i teorien og indse, hvordan den greb ind i den kendte klassiske fysik.

Einsteins almene relativitetsteori er vanskelig at kapere for de fleste - også for Cecilia. Men hun lærte sig selv ikke at være flov, hvis hun stødte på begreber, hun i første omgang ikke forstod.  Hun så blot vanskelighederne som et trin på vejen mod videre indsigt.

Hun var nu helt målrettet mod fysik og astronomi og havde tilmed mod til at spørge Eddington, om han ville være hendes vejleder. Det ville han meget gerne, og Cecilia kom i gang med et astronomisk arbejde om stjerners egenbevægelse på himlen. Det førte til hendes første publikation, der blev udgivet af Royal Astronomical Society omkring 1922.

Cecilia afslutter 23 år gammel sine studier i Cambridge med en kandidatgrad i 1923 - dog med en eksamen af 2. grad. 1. grad var alene forbeholdt mandlige studerende. Først i 1947 bekvemmede Cambridge sig til, at også kvinder kunne opnå 1. grad.

Cecilia stod trods alt med en god eksamen. Men hun måtte erkende, at i England ville hun som kvinde ikke kunne opnå anden karriere end at undervise på en pigeskole. Så det er nødvendigt at forlade England for at komme videre.

Cecilia Payne efter sin ansættelse på Harvard Observatoriet i 1923. (Foto: Smithsonian Institution / CC0 1.0)

Fra Cambridge i England til Cambridge i USA

Igen er Cecilia så heldig at træffe den rette person på det rette tidspunkt, der kan hjælpe hende videre. Hun møder Harvard-astronomen Harlow Shapley (1885-1972), der er i England på en foredragsturné.

Shapley er ny leder af Harvard Observatoriet i Massachusetts USA, og han vil godt sørge for, at Cecilia får tildelt et stipendium til studier på Harvard.

Så turen går nu over Atlanten til USA’s Cambridge, hvor Harvard Observatoriet befinder sig. Harvard er på den tid et af de ganske få steder, der tager imod kvindelige astronomer. Så det bedste, Harlow Shapley kan gøre for Cecilia, er at ansætte hende blandt den kendte gruppe af kvinder på Harvard, der gik under navnet ’Pickerings Harem’.

Disse kvinder havde gennem flere år udmålt stjernespektre til brug for en sortering af stjernerne til det omfattende Henry Draper-stjernekatalog.

En af disse kvinder, Miss Annie Cannon, havde gjort sig særlig bemærket ved at opdele de mange stjerner i grupper efter udseendet af deres spektre. Det førte til den nu så kendte spektralklasse-inddeling O, B, A, F, G, K og M.

Denne inddeling blev udødeliggjort af Miss Cannons lille huskeregel af klasserne:  Oh Be A Fine Girl Kiss Me.

Miss Cannon havde en mistanke om, at opdelingen i klasser kunne skyldes en forskel i temperatur for stjernerne. Det kunne også skyldes en forskel i kemisk sammensætning for stjernerne. Men man havde ikke viden nok til at afgøre det.

På vej mod ph.d.-graden

Cecilia var havnet lige der, hvor hun ønskede, for at fortsætte sine studier mod en ph.d.-grad med Shapley som vejleder. Hun kom ikke til at arbejde blandt Pickerings kvindegruppe, der udmålte spektre.

Til gengæld kunne hun i høj grad bruge deres sortering af stjernerne til at komme videre med sin egen forskning. Det var først og fremmest vigtigt at finde ud af, hvad spektrene fortalte om stjernerne -udover at de bare var delt i forskellige grupper efter spektrenes udseende.

Og nu bliver Cecilia Payne opmærksom på den indiske astrofysiker Meghnad Saha (1893-1956), der netop i disse år har brugt den helt nyudviklede kvantemekanik til at fortolke stjernespektre.

Meghnad Saha har netop udviklet sit banebrydende arbejde i den berømte ’Sahas Ligning’, der blev helt grundlæggende, for at forstå hvad stjernespektrene fortalte os.

Sahas ligning fortæller os, at det alene er temperaturen, der afgør, hvor stærke de forskellige spektrallinjer bliver. Årsagen er, at grundstofferne ioniseres i forskellig grad i takt med, at temperaturen vokser, og dette forhold har stor indflydelse på spektrallinjernes styrke.

Selv om Solen til eksempel har meget stærke linjer af Calcium, mens den klare stjerne Sirius har ganske svage linjer af Calcium, så betyder det ikke, at Solen indeholder meget mere Calcium end Sirius. Det afslører blot, at Sirius er en varmere stjerne end Solen, netop fordi spektrallinjernes styrke afhænger af temperaturen.

Sahas teoretiske arbejde er et stort gennembrud for Cecilia Payne. Hun så nu med nye øjne på de mange spektre, der med stor omhu var sorteret af Miss Cannon og de andre kvinder, samtidig med, at hun selv observerede og analyserede nye spektre.

Efter to års utrætteligt teoretisk og praktisk arbejde med de mange tusinde spektre, var det nu muligt for Payne at beregne omfang og mængde af de forskellige grundstoffer, som stjernerne er opbygget af.

En opdagelse der ryster astronomer i deres grundvold

Hun nåede i 1925 frem til to bemærkelsesværdige konklusioner i sin ph.d.-afhandling, der også overraskede hende selv:

  • Uanset deres spektraltype har alle stjerner samme kemiske sammensætning.
  • Indholdet af brint og helium i alle stjerner er enormt stort. Indholdet af alle andre grundstoffer er i forhold hertil helt forsvindende.

Især det sidste postulat var en bombe for den etablerede astronomi. Man havde aldrig set en så kontroversiel konklusion i en ph.d.-afhandling. Og så var den tilmed udarbejdet på bare to år af en kun 25-årig kvindelig astronomistuderende. Det kunne næsten ikke være mere opsigtsvækkende.

Shapley havde været Cecilias interne eller nære vejleder. Som ekstern vejleder for hende havde Shapley valgt den meget anerkendte astronom fra Princeton Universitet, Henry Norris Russell (1877-1957).

Brint og helium i stjernerne er for stærk kost for Russel

Russell brød sig bestemt ikke om Cecilia Paynes konklusion. På den tid var der blandt astronomerne ingen tvivl:  Solen og planeterne var opstået samtidig ud fra samme interstellare gassky. Derfor var deres kemiske opbygning ens. Stjernerne måtte formodes at ligne Solen, hvad indhold af grundstoffer angik.

På Shapleys råd og fordi Russells ord var lov, tilføjede Payne sidst i afhandlingen, at hendes resultater muligvis var forkerte, fordi de forekom så usandsynlige.

Shapley var dog så imponeret af Paynes afhandling, at han startede et nyt tidsskrift kaldet ’Harvard Observatory Monographs’, hvori han som artikel nummer ét publicerede Cecilia Paynes ph.d-afhandling med titlen ’Stellar Atmospheres’.

Den kendte astronom Henry Norris Russell var Cecilias Paynes eksterne vejleder i hendes ph.d.-arbejde. Han var til at begynde med bestemt ikke tilfreds med Paynes konklusioner i afhandlingen fra 1925. Fire år senere i 1929 kom Russell dog frem til samme resultat som Payne. (Foto: CC0 1.0)

Henry Russel bliver klogere

Få år senere i 1929 skulle det så vise sig, at Russell selv var kommet frem til samme resultat som Payne om de store mængder brint og helium i stjernerne. Han forklarede sig med, at Payne havde brugt en metode, som ingen havde prøvet før.

Det blev et vendepunkt. Astronomerne byggede nu deres teorier om stjernerne på den kendsgerning, at de primært er opbygget af brint og helium og kun mindre mængder af alle andre grundstoffer. Og dette grundstofforhold gælder herefter for hele Mælkevejen - og selve universet.

Nu begyndte anerkendelserne at nå Cecilia Payne. Den kendte radioastronom Otto Struve (1897-1963) og med ham flere andre er citeret for at udtale om Paynes afhandling:

»Det er uden tvivl den mest brilliante ph.d.-afhandling, der nogensinde er skrevet i astronomi.«

Cecilia bliver den første kvindelige professor

Cecilia Payne fortsætter sin karriere på Harvard. Det er dog svært at få anerkendt næste skridt, som er doktorgraden. Der er endnu ikke tradition for at tildele en kvinde denne titel. Men Cecilia forsker bare videre, blandt andet i variable stjerner. Det forlyder, at hun sammen med sine assistenter fik indsamlet over tre millioner observationer. Undervejs udgav hun flere bøger om sine resultater.

Hun holdt også forelæsninger og kurser i astronomi. Men de blev dog ikke omtalt i universitetets lektionskatalog - igen fordi, det brugte man ikke, når det drejede sig om en kvinde.

En anden episode belyser denne forskel. I 1934 skulle der besættes en vigtig stilling på Princeton. Henry Norris Russell blev spurgt, om han kunne anbefale en. Svaret var, at »den bedste kandidat i Amerika - ak ja - er en kvinde,« med reference til Cecilia Payne. Og det kunne Princeton ikke bruge!

Med sin efterhånden omfattende forskning og mange publikationer skulle man synes, at det var rimeligt at tilbyde Payne et professorat. Det skete også, men først i 1956. Hierarkiet i den astronomiske verden skulle lige vænne sig til, at en kvinde kunne bestride dette ærefulde hverv.

Hun virkede som professor i 10 år, indtil 1966, hvor hun officielt trak sig tilbage, men selvfølgelig, kunne man næsten sige, fortsatte hun sin forskning i flere år frem.

Familielivet

I 1932 begav Cecilia Payne sig ud på en studierejse gennem Europa for at besøge forskellige Observatorier og astronomiske kolleger. Turen sluttede i Berlin med et møde i Astronomische Gesellschaft.

Under opholdet i Berlin mødte Payne den unge russiske astronom Sergei Gaposchkin. Han var havnet i Nazitidens Tyskland, og han kunne dårligt vende tilbage til Sovjetunionen på grund af sin politiske overbevisning.

Payne tog hånd om sagen. Hun hjalp Sergei med at komme ud af Tyskland og Europa, og det lykkedes hende endda at udvirke, at Gaposchkin fik ansættelse på Harvard.

I løbet af sit liv kunne Cecilia Payne-Gaposchkin se, hvordan hendes teorier blev et nyt fundament i astronomien. Hun døde 79 år gammel i 1979 af lungekræft. (Foto: Schlesinger Library)

Mindre end to år senere i marts 1934 blev Sergei og Cecilia gift. De fik tre børn, Katherine og Peter, der begge kom til at arbejde som astronomer, og Edward, der blev læge og neurokirurg. Katherine blev dog senere kunstner, noget der sikkert var en arv fra hendes mormor.

Cecilia Payne-Gaposchkin døde 79 år gammel i 1979 af lungekræft. Hun efterlod sig sin mand og de tre børn. Datteren Katherine bemærkede, at de mange cigaretter havde været hendes mors eneste last. Tro mod videnskaben havde Cecilia doneret sit legeme til obduktion, så lægerne kunne gøre nye erfaringer ud fra hendes kræftsygdom.

Cecilia Payne modtog flere priser og æresbeviser og tre år før sin død endda 'Henry Norris Russell-prisen'

Eftermælet

Men først og fremmest vil Cecilia Payne blive husket som den astronom, der fuldstændig brød med den klassiske opfattelse om grundstoffernes fordeling og i stedet lærte os, at ikke bare stjernerne og Mælkevejen, men selve universet næsten udelukkende består af brint og helium. Det kan næsten kaldes et paradigmeskift i den astronomiske verden.

Cecilia Payne nåede også at møde den katolske pater og astronom George Lemaitre (1894-1966), ophavsmand til Big Bang-teorien. Hun var meget betaget af Lemaitre , som hun beskrev som værende 'næsten for god til denne verden - ikke spor sky, tværtimod en entusiast med sans for humor - og som hun udtrykte det 'af overraskende mental kvalitet'. Du kan læse mere om Lemaitre i en tidligere artikel på Videnskab.dk.

Det må i Paynes senere år have glædet hende at opleve, hvordan de nye teorier for universets udvikling tager udgangspunkt i et univers bestående af brint og helium.

Selv om Henry Norris Russell var oprørt over resultater i Cecilia Paynes ph.d.-afhandling, skriver han i 1925 alligevel et meget venligt brev til hende.

Her roser han hende og anerkender hendes meget grundige ph.d.-forskning, og samtidig får han påpeget, hvor uenig han er med hende.

Her er et uddrag af Russells brev:

14. januar 1925

Min kære Miss Payne

Her er endelig et par bemærkninger til Deres notater, som De var så god at sende til mig for nogen tid siden.

De har opnået nogle bemærkelsesværdige resultater, som jeg generelt finder solide og konsistente…

De fleste afvigelser kan let korrigeres…

Der er dog en meget alvorlig afvigelse, nemlig den for indholdet af hydrogen og helium… Jeg er overbevist om, at der her er noget alvorligt galt med Deres teori. Det er jo helt klart umuligt, at hydrogen skulle være en million gange mere hyppigt forekommende end metaller…

Jeg tror dog gerne, at antallet af hydrogenatomer er større end antydet af Fowler og Milne. Compton og jeg har sendt en lille note til 'Nature'… som måske kan kaste lys over problemet…

Med de venligste hilsener,
Henry Norris Russell

Kilde: Harvard Square Library

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.

Danske corona-tal

Videnskab.dk går i dybden med den seneste corona-forskning. Læs vores artikler i temaet her.

Hver dag opdaterer vi også de seneste tal.

Dyk ned i grafer om udviklingen i antal smittede, indlagte og døde i Danmark og alle andre lande.

Ny video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab, klima og sundhed henvendt til unge.

Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's Center for Faglig Formidling med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.


Ugens videnskabsbillede

Se flere forskningsfotos på Instagram, og læs mere om Hubbles utrolige billeder her.