Виноваты звезды. Как астроном Сесилия Пейн-Гапошкина стала первой женщиной-профессором и главой кафедры в Гарварде

Фото Flickr Commons / Wikipedia
Сесилия Пейн-Гапошкина Фото Flickr Commons / Wikipedia
Как ученая, которой не дали должность профессора в Гарварде из-за сексистских правил, написала лучшую докторскую по астрономии современности и первой открыла, из чего состоят звезды

Движение за право женщин получать высшее образование в Великобритании начала в 1867 году Энн Кло: благодаря ее усилиям девушки смогли посещать университетские лекции. Но им все еще не давали ученые степени. Дипломы женщинам стали вручать в 1878 году: сначала в Лондонском университете, в 1895-м — в Даремском университете, только в 1920-м — в знаменитом Оксфорде и аж в 1948-м — в Кембридже. Тем временем в провинциальном Уэндовере в 1900 году родилась Сесилия Пейн, которая поступит в Кембридж и расскажет, как устроены звезды, но не сможет получить заслуженный диплом из-за гендерных стереотипов в науке. Как эта выдающаяся девушка оказалась звездой в «мужском» мире астрофизики XX века, а затем стала первой женщиной, возглавившей департамент в Гарварде?

Музыка, орхидеи и наука

Сесилия Пейн родилась в настоящей гуманитарной семье. Ее отец Эдвард Пейн был юристом, историком и талантливым музыкантом. Мать Эмма занималась воспитанием троих детей. Она имела двух достаточно известных родственников: один ее дядя занимался исторической наукой, другой был писателем. Все указывало на то, что Сесилия будет писательницей или займется музыкой — как ее сестра Флоренс, которая в итоге стала пианисткой. Но жизнь ученой сложилась совсем иным образом.

Когда Сесилии было всего четыре года, ее отец скончался. Мать была вынуждена взять будущее троих детей — двух дочерей и сына — в свои руки. До 12 лет Сесилия Пейн училась в частной школе в родном Уэндовере: там она изучала самые разные предметы и уже тогда начала понимать, что ей интересны естественные науки. Когда девочке было лет восемь, она увидела цветок офрис пчелоносной — это одно из растений из семейства орхидей — и узнала его по описанию матери из ее рассказов о путешествиях по итальянской Ривьере. «Тогда я в первый раз почувствовала учащенное сердцебиение, вот этот резкий всплеск восхищения, который указал мне на мою будущую страсть к наукам», — вспоминала Пейн-Гапошкина в автобиографии. Она впервые узнала, каково это, когда теория сходится с практикой, когда ты находишь последний недостающий кусочек пазла, который соединяет твою картину мира в единое, цельное полотно. Такое чувство возбуждения и последующего удовлетворения — это именно то, что толкает многих людей заниматься наукой. «Думаю, именно тогда началась моя карьера ученой», — говорила Сесилия.

Частная школа, где училась Сесилия, была хорошим местом для любознательной девочки в начале прошлого века. Директриса Элизабет Эдвардс действительно посвящала время тому, чтобы обучать ее и других детей наукам. Но все же школа была продуктом своего времени: например, левшей — а Сесилия Пейн писала как раз левой рукой — переучивали, что будущая ученая находила очень тяжелым и дискомфортным. Определенное раздражение также вызывало регулярное пение религиозных гимнов — фактически обязательный атрибут учебного заведения начала 1900-х.

Но, когда Сесилии было 12, мать перевезла семью в Лондон, ради того, чтобы ее младший брат Хамфри смог получить хорошее академическое образование. Хамфри поступил в Вестминстерский колледж — одну из старейших школ в Великобритании, после которой проще всего поступить в Оксфорд и Кембридж (собственно, в итоге он и попал в Оксфорд и стал известным археологом). Сесилии же досталась женская школа имени святой Мэри в Паддингтоне — учебное заведение под контролем церкви, где изучать математику и естественные науки было совершенно невозможно. Но будущая ученая не сдавалась — и уже в старших классах, в 1918 году, добилась перевода в школу святого Павла. Это тоже было учебное заведение для женщин, но гораздо более независимое от церкви: школа для девочек была основана торговой компанией Worshipful Company of Mercers в 1904 году в дополнение к уже существовавшей школе для мальчиков, где преподавали учителя из Оксфорда и Кембриджа.

В новой школе Сесилию Пейн все равно пытались склонить к тому, чтобы заняться чем-то гуманитарным, «женским». Ее преподаватель Густав Холст, довольно известный композитор, убеждал Сесилию заняться музыкой — но она не предала мечту уйти в науку. И в 1919 году, выиграв грант, Сесилия поступила в Кембридж, точнее, в Ньюнхем-колледж, отдельное подразделение университета, куда принимали женщин. Там они могли прослушать лекции на все интересующие их темы и пройти курс обучения по выбранному предмету, но диплом им дать не могли, так как Кембридж тогда еще не давал ученые степени женщинам.

Учительница или астрофизик?

Уже на первом курсе Кембриджа Сесилия Пейн знала, что будет изучать науку. Некоторое время она колебалась между ботаникой и физикой. Сделать выбор в пользу последней ей помог астроном Артур Эддингтон, который в 1919 году провел в университете публичную лекцию о своей экспедиции, в которой он наблюдал за солнечным затмением. Эддингтон объяснил, как его наблюдения подтвердили сформулированную в 1915-1916 годах Альбертом Эйнштейном общую теорию относительности. И Пейн загорелась тем, чтобы узнать о звездах больше. «После этой лекции моя картина мира перевернулась. Вернувшись в свою комнату в общежитии, я поняла, что могу пересказать и записать ее дословно», — вспоминала Сесилия Пейн. Так она утвердилась в мысли: физика — это ее.

Позже Пейн решила посетить Кембриджскую обсерваторию на день открытых дверей. Она задавала столько сложных вопросов, что организаторам пришлось позвать профессора Эддингтона. Получив возможность поговорить с ним, Сесилия тут же рассказала профессору, что тоже хочет стать астрономом. Он порекомендовал ей книги, которые могли бы помочь на этом пути, оказалось, что все их она уже прочла. Тогда Эддингтон дал ей доступ к специальной библиотеке при обсерватории — там она могла почитать последние журналы по астрономии. Так Пейн попала в эпицентр астрономической мысли тех времен. «Нет большего удовольствия, чем сталкиваться с фактами, которые нельзя объяснить в текущей системе научных координат», — говорила она. 

Сесилия попросила профессора дать ей какой-нибудь интересный объект для исследования. Эддингтон отправил ее изучать рассеянное скопление M 36 — это космический объект, в котором находится по меньшей мере 60 звезд. Все свободное время Пейн сидела в обсерватории и наблюдала за движениями звезд, временами, как она сама признавалась, игнорируя занятия по физике и математике. Потом он спросила преподавателя по звездной динамике по фамилии Смарт, что ей делать со всеми собранными данными, и он ответил: «Сделай регрессию по методу наименьших квадратов». Пейн не знала, что это такое — поэтому пошла в библиотеку Британского музея и запросила там работы Гаусса, автора метода наименьших квадратов. Ей выдали толстенные тома работ, написанных на немецком, и девушка долго сидела, продираясь сквозь тексты Гаусса, чтобы понять, что ей нужно сделать. И разобралась. Потом Пейн шутила, что она, наверное, была единственной студенткой современности, которая изучала метод Гаусса по его оригинальным работам.

В конце концов Сесилия применила метод наименьших квадратов к звездам в созвездии М 36 и принесла результаты работы Эддингтону. «Очень хорошо. Мы это опубликуем», — ответил он и отправил работу в Королевское астрономическое общество. Так Сесилия Пейн стала автором своей первой научной работы, еще даже не закончив университет.

Впрочем, в Кембридже ей нученая степень и не светила — ведь там девушкам все еще не выдавали дипломы. Даже во время учебы Сесилии все время давали понять, что она «не такая»: например, ей приходилось сидеть в одиночестве на занятиях по физике, так как ей запрещалось занимать места на одном ряду с мальчиками. Тем не менее она сдала все экзамены наравне с остальными — и получила вместо полноценного диплома «сертификат». С ним в родной Великобритании Пейн могла стать только учительницей. Это не могло удовлетворить ее амбиции, поэтому она стала искать альтернативные варианты развития своей карьеры.

Пейн понимала, что ей нужно переезжать в Соединенные Штаты и продолжать образование там. Но для этого нужно было получить грант, который бы покрыл все ее расходы. В 1923 году, после окончания Кембриджа, она познакомилась с директором обсерватории Гарвардского университета Харлоу Шепли. От него она узнала о PhD-программе по астрономии в Гарварде — и поступила на нее, получив стипендию для молодых женщин-астрономов. Пейн была лишь второй студенткой, выигравшей такой грант: первой подобную стипендию получила Аделаида Эймс, которая в будущем тоже стала великим астрономом, членом Американского астрономического общества и ближайшей подругой Сесилии. 

Виноваты звезды

В 1925 году все усилия Пейн и ее настойчивость в сексистском мире астрофизики наконец принесли свои плоды — она получила докторскую степень. В своей диссертации она, по сути, ответила на давно интересовавший ученых вопрос: из чего состоят звезды?

Ранее многие астрономы считали, что звезды — это какие-то загадочные образования, состоящие из разных элементов в разных пропорциях и конфигурациях. Ведь как иначе объяснить, что одни небесные светила больше и ярче, другие — мелкие и едва заметные, а третьи образуют плотные созвездия, которые выглядят практически как небесная пыль? Ученые думали, что внешние контуры звезд определяют твердые вещества, которые можно найти и на Земле — такие как, например, кальций или железо. И если нагреть их до температуры Солнца, мы получаем такое же свечение — значит, Солнце и другие звезды должны состоять из больших количеств каких-то раскаленных твердых веществ.

Сесилия Пейн изучала в Гарварде квантовую физику и знала, что при сильном нагреве один или несколько электронов могут оторваться от атома, который вследствие этого превращается в ион. А конфигурация небесного свечения, исходящего от звезд, зависит как раз от тех атомов, которые они испускают. В своей докторской Пейн показала, что разное излучение звезд зависит от того, насколько ионизированы атомы, исходящие с ее поверхности, — и это определяется только температурой звезды, а вовсе не содержанием в ней разных элементов, как считалось ранее. Все звезды, как выяснила Пейн, примерно одинаковы по составу и сделаны из двух основных элементов — водорода и гелия. А твердые вещества, такие как кальций и железо, составляют менее 2% массы звезд.

Таким образом, получалось, что бОльшая часть Вселенной состоит из самых легких веществ — водорода и гелия, а вовсе не из тех тяжелых, твердых элементов, из которых построена наша планета. Для начала ХХ века это была революционная мысль, перевернувшая представление астрономов и физиков о том, как устроен мир.

К сожалению, из-за сексистских правил того времени даже такое восхитительное открытие не очень помогло Сесилии продвинуться в карьере. Она вполне могла бы претендовать на должность профессора в Гарварде, но из-за того, что была женщиной, она еще долгие годы после защиты докторской занимала более низкие и плохо оплачиваемые позиции в университете.

В 1934 году Пейн посетила обсерваторию в Ленинграде — Советский Союз тогда был почти на пороге новой войны с Германией, — а затем отправилась и в Германию. Там она познакомилась с перспективным астрономом Сергеем Гапошкиным: он был не согласен с политикой СССР, но, несмотря на это, ему удалось добиться неплохих успехов в науке на родине (правда, в итоге все равно пришлось бежать в Европу). На момент их встречи из-за усложнившихся русско-немецких отношений Гапошкина в Германии начали преследовать. Сергей попросил Сесилию помочь ему переехать в США. 

Ученую тронула его история, и, вернувшись домой, она занялась тем, чтобы сделать Гапошкину визу беженца. Ей это удалось, и уже в том же 1934 году Сергей приехал в Штаты. Они тут же поженились, и так Сесилия Пейн стала Сесилией Пейн-Гапошкиной. Двойная фамилия довольно символична — в дальнейшем многие исследования чета астрономов проводила совместно.

Дыра в «стеклянном потолке»

В 1956 году Сесилии Пейн наконец удалось пробить «стеклянный потолок». Она, во-первых, стала первой женщиной-профессором в Гарварде, во-вторых — тут же оказалась и первой в Гарвардском университете женщиной во главе департамента, возглавив отделение астрономии.

Уже на исходе своей жизни и карьеры, в 1976 году, Пейн получила приз Генри Норриса Рассела — наиболее почетную награду Американского астрономического общества, которую ежегодно дают за великий пожизненный вклад в изучение планет и звезд. В 1960 году Отто Струве, российско-американский астроном и один из крупнейших астрофизиков XX века, назвал докторскую Сесилии Пейн «самой гениальной диссертацией по астрономии за все времена». 

Незадолго до смерти Сесилия Пейн дала совет молодым людям — особенно молодым женщинам, которые интересуются наукой. Его, как и открытие состава звезд, можно считать наследием великой ученой и ее посланием в будущее. Вот оно: «Не идите в науку ради славы или денег — есть куда более легкие и приятные способы достичь этого. Идите в научную карьеру, только если больше ничто не в состоянии вас удовлетворить — потому что, скорее всего, в результате своей жизни, отданной науке, вы и получите это самое ничто. Но вашей наградой будет возможность расширить свои горизонты, пока вы пытаетесь вскарабкаться на научный Олимп. И если вам удастся получить эту награду, поверьте, этого будет для вас достаточно».