Сесилия Пейн — хозяйка звездной кухни

10 мая исполнилось 120 лет со дня рождения замечательного астрофизика Сесилии Пейн. Закончив Кембриджский университет, молодая Сесилия переехала в Америку и устроилась на стажировку в обсерваторию при Гарвардском университете. Работая там под руководством Харлоу Шепли, она изучила огромное число звездных спектров и установила, что звезды в основном состоят из водорода и гелия, а не из более тяжелых химических элементов, как было принято считать в начале XX века. Это открытие стало одним из важнейших этапов в развитии астрономии и астрофизики двадцатого столетия. Круглая дата — хороший повод рассказать о ее замечательной жизни, которая пока что мало известна в России.

Из чего Создатель Мироздания в лице Большого взрыва изготовил нашу Вселенную? Сегодня ответ известен — преимущественно из первых двух элементов таблицы Менделеева, водорода и гелия. За ними с огромным отрывом следуют кислород, углерод, неон, азот и другие элементы. На поверхности Солнца водород и гелий по массе составляют приблизительно 98%, все прочие элементы в сумме — только 2%. Если считать по числу атомов, то доля водорода составит 91,2%, гелия — 8,7%, кислорода — 0,078%, углерода — 0,043%. Эти цифры (как и все остальные, которых я не привожу) хорошо отражают распространенность химических элементов во Вселенной. Сейчас мы хорошо понимаем, что в их основе лежат как процессы возникновения первичных элементов вскоре после Большого взрыва, так и последующий синтез более массивных элементов в недрах звезд, при взрывах сверхновых и в космических пустотах (напомню, что существует механизм рождения ядер бора и еще целого ряда изотопов в межзвездной среде посредством соударений космических лучей с ядрами-предшественниками, см. Cosmic ray spallation).

Еще сто лет назад эти данные были никому не известны. Тогдашние астрономы не то, чтобы просто не догадывались о гигантских космических избытках водорода и гелия над прочими элементами, но даже считали такую возможность совершенно нелепой. Поэтому они поначалу не поверили 25-летней выпускнице Кембриджского университета Сесилии Пейн, которая первой поняла, какие именно атомы доминируют во Вселенной, и сообщила об этом в своей докторской диссертации, подготовленной и защищенной в США. Правда, подтверждения результатов пришлось ждать недолго, и ее работа вскоре была признана шедевром астрофизики.

Ровесница века

Земное существование Сесилии Елены Пейн (Cecilia Helena Payne) началось в первый год двадцатого столетия. Ее отец Эдвард Джон Пейн родился в 1844 году. Он происходил из очень старого английского рода не слишком крупных землевладельцев, отмеченных в налоговой переписи, проведенной еще в 1086 году при Вильгельме Завоевателе. По профессии он был вполне благополучным лондонским юристом оксфордской выучки, по увлечениям — музыкантом и довольно известным специалистом по колониальной истории, автором нескольких книг. Его жена Эмма Пертц была дочерью офицера.

Родители Сесилии поженились в 1899 году, когда Эдварду уже было 55 лет, а Эмме 33 года. Они поселились в деревне Вендовер в сорока милях к северо-западу от Лондона. Там 10 мая 1900 года на свет появился их первый ребенок, Сесилия Елена. Два года спустя у нее родился брат Хамфри, еще через пару лет — сестра Леонора. Подобно отцу, Хамфри окончил Оксфорд, участвовал в раскопках на Крите и в 27 лет был назначен директором Британской археологической школы в Афинах. Там он проработал до безвременной смерти в 1936 году от стафилококковой инфекции. Леонора Пейн, по мужу Айсон, получила архитектурное образование. Она скончалась всего за 4 года до начала нашего столетия.

Маленькая Сесилия уважала мать и обожала отца, который платил ей тем же. Злая судьба не позволила им долго любить друг друга. На следующий день после рождества 1904 года тело Эдварда Пейна нашли в канале, проложенном через Вендовер. Тайна его гибели так и не была раскрыта.

Эмма Пейн, подобно матери Эддингтона, осталась молодой вдовой с детьми и довольно скромной пенсией. Как и Сара Эддингтон, она справилась. Роскоши в доме не было, но и бедности дети не чувствовали. В общем, по английским стандартам начала XX столетия семья даже после смерти кормильца была вполне благополучной.

Сначала Сесилия получала знания от родителей, а после смерти отца — только от матери. С шести лет она стала ходить в крохотную частную школу, которая открылась напротив ее дома. Там преподавала Элизабет Эдвардс, способный и доброжелательный педагог с большой эрудицией, которая стала для девочки настоящим другом. Она обучила Сесилию не только английской грамматике, французскому языку и начаткам латыни, но также арифметике, геометрии и алгебре. Под ее руководством девочка дошла до теорем Евклида и квадратных уравнений, что сильно выходило за рамки программ тогдашних женских школ. Мисс Эдвардс к тому же поощряла Сесилию самостоятельно изучать «Британскую энциклопедию», которая уж точно не была детским чтением.

В 1912 году Эмма с детьми перебралась в Лондон, чтобы отдать там Хамфри в школу при Вестминстерском аббатстве. Сесилия стала ученицей католической школы Св. Марии, где ее интеллект и склонность к самостоятельным суждениям не вызывали особой симпатии. Первые несколько лет у девочки была хорошая учительница Дороти Даглиш, которая привила ей интерес к ботанике и химии, но потом она заболела и ушла из школы. Оставшись без наставника, Сесилия самостоятельно занялась математическим анализом и аналитической геометрией, что только осложнило отношения с директрисой. В конце концов Сесилию незадолго до семнадцатилетия попросту исключили. К счастью, ей удалось перейти в школу Св. Павла, где учили вполне по-современному (конечно, по критериям начала XX столетия). Там были не только физическая, химическая и биологическая лаборатории с компетентными преподавателями, но даже действовал ученический научный клуб, где Сесилия с большим успехом прочла несколько лекций.

Летом 1919 года Сесилия окончила школу. Она хотела продолжить образование, причем ее выбор был однозначен — Кембридж и только Кембридж. Технически это было возможно — в университете на реке Кам уже учили не только юношей. В 1869 году там был основан первый женский колледж, Гёртон, два года спустя — второй, Ньюнэм. Правда официальный статус они получили лишь в 1948 году, но для студенток это особого значения не имело. Сесилия сдала очень серьезные экзамены и заработала от Ньюнэма стипендию имени Мэри Эварт (она присуждается и в наши дни), которая только и могла покрыть расходы на обучение. Осенью 1919 года она, как и остальные шесть сотен первокурсниц колледжа, приступила к занятиям.

Кембридж: между физикой и астрономией

Поступив в университет, Сесилия сначала точно не знала, чем будет заниматься. Ей предстояло выбрать три вводных курса по естественным наукам. В школе Св. Павла она полюбила физику (одна из ее клубных лекций была о распространении звука), но окончательно все же не определилась. Помня былое увлечение растениями, она решила взять ботанику, химию и физику. Эта комбинация выглядела не совсем обычно, но для женского колледжа была приемлемой.

А потом сработал счастливый случай — или, если угодно, вмешалось Провидение. Напомню, что первое сообщение о подтверждении ОТО при наблюдениях полного солнечного затмения 29 мая 1919 года двумя британскими экспедициями было сделано в Лондоне 6 ноября (см. Столетие ОТО, или Юбилей «Первой ноябрьской революции», «Элементы», 25.11.2015). Одной из них руководил профессор Кембриджского университета и замечательный астрофизик Артур Стенли Эддингтон. Вскоре в Кембридже было объявлено, что 2 декабря Эддингтон представит эти результаты уже в своем университете, в величественном Большом Зале (Great Hall) Тринити-колледжа. Билеты для студентов были распределены заранее, причем Ньюнэм получил только четыре. Одна из счастливиц перед лекцией захворала и отдала свой билет Сесилии. Это был перст судьбы.

Лекция Эддингтона Сесилию поразила и, как она потом вспоминала, на три ночи лишила сна. Дело было не в ораторских способностях знаменитого профессора, хотя говорил он блестяще. Ее потрясло само содержание — настолько, что, вернувшись в свой дортуар, она постаралась как можно точнее записать лекцию по памяти. Перед ней открылся новый мир, о котором она раньше ничего не знала. Это был подлинный катарсис — иначе и не назовешь.

Казалось бы, Сесилии следовало попробовать перейти на астрономию, но это было не так просто. Эта наука в Кембридже числилась по разряду математики, Сесилия же заявила о специализации по естественным наукам. Перемена отделения требовала сдачи очень серьезного экзамена по математике, к чему Сесилия не была готова. На первом курсе у нее даже не вышло поменять главный предмет учебной триады. В начале 1920 года она известила администрацию о желании переключиться на физику, однако до летних каникул ей все равно пришлось заниматься ботаникой. Лекции по физике она начала слушать лишь с осени 1920 года, уже на втором курсе.

В ретроспективе понятно, что ей и тут повезло. По складу интересов и научного мышления Сесилия Пейн не слишком подходила для чистой астрономии. Зато хорошее физическое образование, которое дал ей Кембридж, подготовило ее к занятиям астрофизикой. Именно в этой области она и сделала свое главное открытие.

Переключение на физику изменило жизнь Сесилии даже в чисто физическом плане (простите за невольный каламбур). Занятия по этой науке проходили в здании Кавендишской лаборатории, которая тогда находилась на другом берегу Кама в центральной части Кембриджа. Из кампуса туда приходилось добираться на велосипеде по узким и извилистым улицам с немалым движением. Кажется, для Сесилии эти поездки обошлись без падений.

Она попала в Кавендиш в удачное время. Несколько курсов читал великий Эрнест Резерфорд, который годом ранее принял директорство у первооткрывателя электрона Джозефа Джона Томсона. По его приглашению из Копенгагена приехал Нильс Бор, чьи лекции стали университетской сенсацией. Квантовая механика тогда еще ждала своего истинного рождения, до которого оставалось целое пятилетие. Боровская полуклассическая модель атома уже не была на переднем крае физики, но замены ей пока не предвиделось. В Кавендише лекции и лабораторные занятия были почти полностью посвящены классике — механике, термодинамике, максвелловскому электромагнетизму. Сесилии предстояло освоить гигантский объем информации. И это ее не пугало.

К тому же у нее появилось и дополнительное бремя, причем добровольное. Она не только не забыла об астрономии, но хотела по мере сил заниматься ею параллельно с физикой. У ее колледжа была своя обсерватория — правда, небольшая и со слабым телескопом. Там работал аспирант Лесли Джон Комри (Leslie John Comrie), впоследствии видный специалист по численным методам астрономии. Он помог Сесилии освоить азы обсервационной астрономии и надолго стал ей другом и советчиком. Позднее она нашла дорогу в большую университетскую обсерваторию и свела знакомство с Эддингтоном. В качестве вольнослушательницы она посещала его лекции по анализу наблюдений, орбитальной динамике и даже теории относительности, а также решала — правда, не всегда успешно — предложенные им задачи. В обсерваторию тогда вернулся крупный специалист по физике Солнца и звездным вспышкам Фредерик Стрэттон, который в 1914 году ушел на фронт и дослужился до полковника. Он не слишком верил в будущее Сесилии Пейн как астронома, но тоже многому ее научил. У нее появился и еще один наставник, а позднее друг, заместитель директора обсерватории Эдвард Артур Милн (Edward Arthur Milne), блестящий астрофизик и в будущем известный космолог. Их исследованиям через несколько лет предстояло пересечься, о чем, конечно, оба не догадывались.

На четвертом курсе Сесилия стала вплотную думать о будущем. К тому времени ей уже объяснили, что в Англии у женщины нет и еще долго не будет шансов найти работу астронома. Более того, в 1923 году она, как и любая студентка, могла получить в Кембридже только диплом бакалавра искусств, и никак не выше. Помог Лесли Комри. Он был одним из руководителей Британской астрономической ассоциации, которая, в отличие от Королевского астрономического общества, объединяла не профессионалов, а любителей астрономии. Ассоциация устроила в Лондоне лекцию известному американскому астроному Харлоу Шепли, который незадолго до того возглавил астрономическую обсерваторию при Гарвардском университете (по традиции она называлась обсерваторией Гарвардского колледжа). Комри привел туда Сесилию как свою гостью и представил именитому американцу. Она рассказала о себе и открытым текстом заявила, что хотела бы работать под его началом. При обсерватории существовала ассистентская группа, составленная из полутора десятков женщин, некоторые из которых отмечены в истории астрономии — например, прославившаяся наблюдениями переменных звезд Генриетта Ливитт и классик классификации звездных спектров Энни Джамп Кэннон. Шепли подумал, что Сесилия претендует всего лишь на место в этой команде, и ответил положительно. Он даже намекнул, что со временем она могла бы занять место Энни Кэннон, которая тогда возглавляла эту команду.

Но юная выпускница Кембриджа хотела большего. Она твердо решила стать профессиональным астрофизиком и вести самостоятельные исследования. В позднейшей переписке она убедила Шепли дать ей место стажера с правом на личный исследовательский проект. В этом помогли рекомендации от Эддингтона, Комри и руководителя студенческих лабораторных занятий в Кавендише Джорджа Сирла (George Searle). Сесилия также получила две стипендии, одну от своего колледжа, другую от американского Национального исследовательского совета (National Research Council). 10 сентября 1923 года она отправилась на поезде в Саутгемптон, чтобы занять каюту на новом кьюнардовском лайнере «Лакония» (RMS Lakonia), который отплывал в Нью-Йорк. Ее ждал Гарвард и будущее в США. Она еще не знала, что оно станет уникальным.

Из Кембриджа в Кембридж

Встретив английскую гостью, Шепли опять предложил ей присоединиться к команде Энни Кэннон и опять не встретил согласия. К тому времени у нее уже был четкий рабочий план. Перед отъездом она попросила совета у Милна, чем ей стоит заняться в американском Кембридже в штате Массачусетс. К тому времени он знал об опубликованных в 1920 и 1921 годах работах молодого индийского астрофизика Мегнада Саха об ионизации газов при высоких температурах. Саха вывел уравнение, которое давало возможность вычислять процентный состав ионов в звездных атмосферах при различных электронных давлениях и температурах (см. Уравнение Саха). Милн и его коллега по университету Ральф Фаулер усовершенствовал теорию коллеги из Бомбея. Теперь она нуждалась в проверке на реальном материале — то есть на звездных спектрах. Милн рекомендовал Сесилии воспользоваться тем, что в гарвардской обсерватории есть гигантский архив звездных спектрограмм, накопленный за несколько десятилетий. Он считал, что она вполне могла бы проанализировать эти материалы на основе теории Саха и приобретенных в Кавендише познаний по атомной физике. Милн не сомневался, что успех этого проекта станет важным вкладом в астрофизику.

Шепли согласился без долгих уговоров. Сам он не слишком интересовался составом звезд, но прекрасно понимал значение этой проблемы. К тому же предложение Сесилии Пейн давало ему шанс осуществить дорогой его сердцу организационный план. Хотя у Гарвардского университета имелась своя обсерватория, но, как ни странно это сегодня звучит, не было астрономического отделения и даже не читались лекции по этой науке. Шепли хотел создать и возглавить такое подразделение. Если бы английская гостья выполнила серьезное исследование и по его результатам защитила докторскую диссертацию, это повысило бы научный статус обсерватории и помогло убедить руководство университета создать новое отделение с уже имеющейся де факто аспирантурой. Во всяком случае, Харлоу Шепли на это сильно рассчитывал, но, увы, обманулся. Астрономическое отделение в Гарварде было учреждено лишь в 1931 году, причем до 1945 года оно существовало без формально утвержденного руководителя. Что до Шепли, то он почти на 30 лет так и остался только директором обсерватории.

Сесилия взялась за работу, прекрасно понимая ее объем и сложность. К тому времени астроспектроскопия была серьезной наукой, которой она специально не занималась. Чтобы выполнить предложение Милна, нужно было научиться читать и анализировать звездные спектрограммы, причем в огромных количествах (она использовала не только гигантскую гарвардскую коллекцию, но и некоторые материалы еще из трех обсерваторий, одной канадской и двух американских). Также надо было разобраться во всех нюансах теории Саха и ее новейших модификаций. Предстоял огромный труд, и Сесилия Пейн с ним справилась. К счастью, в 1924 году она получила третью стипендию, которая еще на год решила ее материальные проблемы. К началу 1925 года у нее уже были накоплены результаты, вполне достойные диссертационной защиты. Впрочем, достойные — это не то слово. Сесилия сделала открытие, которое заслуженно считается одним из крупнейших достижений астрофизики XX века.

Для определенности еще раз уточню, о чем идет речь. Полученные ею данные позволили выяснить, как представлены в звездных атмосферах два десятка химических элементов, которые больше всего распространены в земной коре. Оказалось, что они присутствуют и на звездах, однако их общая доля в звездном веществе в среднем не превышает пары процентов, а всё остальное — это водород и гелий. Для сравнения, земная кора по массе на 49% состоит из кислорода и на 26% из кремния. За ними идут алюминий (7,45%), железо (4,2%) и кальций (3,25%). Гелия в земной коре практически нет, а массовая доля водорода не превышает одного процента. Разница, как видим, разительная.

Здесь требуется одно уточнение. Сесилия Пейн работала со спектрограммами звезд, расположенными в дисковой зоне нашей Галактики. Там сконцентрированы светила, чей возраст либо уступает возрасту Солнца, либо примерно ему равен, либо превышает менее, чем вдвое. Все они сформировались в то время, когда космическое пространство уже было в достаточной степени насыщено элементами тяжелее гелия (астрофизики их называют металлами), рожденными в ядерных топках более старых звезд. Всех их принято относить к так называемой популяции I. Средняя доля металлов в их составе как раз и равна двум процентам, хотя у самых молодых светил доходит до трех.

Наша Галактика содержит и более старые звезды, расположенные вне ее диска. Они возникли свыше 10–11 миллиардов лет назад, когда процесс космического металлогенеза еще не успел набрать обороты. Средняя доля элементов тяжелее гелия в составе этих звезд популяции II составляет примерно одну десятую процента. К слову, классические цефеиды принадлежат популяции I, в то время как их аналоги, открытые в 1952 году переменные звезды семейства W Девы, входят в популяцию II.

Это еще не всё. На заре мироздания должны были рождаться звезды, «собранные» только из водорода и гелия с очень незначительными добавками бериллия и лития, еще двух элементов, рожденных вскоре после Большого взрыва. Они никогда не наблюдались, но астрономы не сомневаются в их существовании. Долю металлов в составе этих звезд популяции III можно считать равной нулю.

Когда Сесилия Пейн занималась своей диссертацией, о звездных популяциях еще ничего не было известно. На две популяции звезды разделил замечательный американский астроном германского происхождения Вальтер Бааде в 1944 году, а представление о звездах популяции III возникло еще намного позднее. Повторяю, что Сесилия Пейн имела дело со звездами популяции I, у которых среднее содержание металлов равно двум процентам.

Вывод о полном преобладании в звездных фотосферах водорода и гелия противоречил традиционному прочтению звездных спектрограмм. Теория Саха полностью объясняла причину этого парадокса, о чем расскажу в следующем разделе на конкретном примере. А сейчас вернемся к Сесилии. Чтобы защититься, ей нужно было как-то нейтрализовать возражения признанного институционального и интеллектуального лидера американских астрофизиков профессора Принстонского университета Генри Норриса Расселла, который много лет занимался звездными спектрами. Расселл считал «очевидным образом невозможным, чтобы звезды содержали в миллион раз больше водорода, чем металлов» (это цитата из его письма к Сесилии Пейн от 14 января 1925 года). Поэтому она прибегла к дипломатии. В своей диссертации она сделала акцент на доказательстве единообразия (uniformity) состава атмосфер различных звезд, но при этом дала понять, что ее же собственный вывод о доминировании водорода скорее всего не соответствует действительности.

Сейчас трудно с уверенностью сказать, было ли это утверждение только уловкой ради умиротворения Расселла или же она и вправду сомневалась в своем суждении. Как бы то ни было, ее замечательная работа Stellar Atmospheres объемом в 215 страниц принесла ей степень доктора философии и в том же 1925 году была опубликована на ее родине. Она стала первой докторской диссертацией по астрономии, вышедшей из стен обсерватории Гарвардcкого колледжа (правда, по техническим причинам степень ее автору присудил не Гарвардский университет, а аффилированный с ним женский колледж Рэдклифф). Перед этим Сесилия успела опубликовать 6 статей, из них одну — в журнале Nature.

Сесилия Пейн не стала первой женщиной, защитившей в Америке такую диссертацию. Этот титул принадлежит Маргаретте Палмер (Margaretta Palmer), которая в 1894 году была удостоена докторской степени Йельским университетом за докательство того, что комета 1847 VI покинула Солнечную систему по параболической орбите. До 1925 года эти степени в разных университетах получили еще несколько женщин-астрономов. Однако по научной значимости ни одна из их диссертаций даже близко не лежала к работе Пейн, которая, рискну повторить, стала очень крупным вкладом в науки о Вселенной.

Солнце: кальций и водород

Я обещал осветить сложность дешифровки звездных спектрограмм конкретным примером. Сейчас он воспоследует.

Для определенности будем говорить о Солнце (Сесилия Пейн занималась звездами, но ведь и наше светило — вполне типичная звезда из группы желтых карликов). Почти весь приходящий от него свет рождается в фотосфере, поверхностном слое нейтрального газа и частично ионизированной плазмы толщиной порядка 300 километров. Там присутствуют едва ли не все стабильные элементы (и даже некоторые простые молекулы), на которых рассеиваются (как говорят астрономы, абсорбируют) световые кванты. Поэтому спектр фотосферы содержит десятки тысяч темных линий разной ширины и плотности, соответствующих длинам волн, на которых происходит такое рассеяние. Естественно предположить, что процентное содержание того или иного элемента в фотосфере тем больше, чем сильнее его линии поглощения (для измерения этой силы есть специальный показатель, так называемая эффективная ширина линии, но нам это не нужно). Такое заключение выглядит вполне убедительно, но истине, увы, не соответствует.

Займемся обещанным примером. В солнечной фотосфере в 500 000 раз больше атомов водорода, чем атомов кальция. И при этом линии поглощения кальция, как они выглядят на спектрограммах, намного сильнее водородных линий! Так что, если мы будем судить об относительной распространенности этих двух элементов в солнечной фотосфере на основе простого сравнения их линий поглощения, то сделаем поистине гигантскую ошибку.

И вот здесь на помощь приходит уравнение Саха и уравнения газовой статистики. В фотосфере Солнца свет эффективно рассеивают только те атомы водорода, у которых единственный электрон находится не в основном энергетическом состоянии, а на первом возбужденном уровне (их линии поглощения называются бальмеровскими). Это происходит из-за того, что солнечная фотосфера недостаточно нагрета для массового рождения фотонов более высоких энергий, которые могли бы вызвать ионизацию атомов водорода в основном состоянии. С помощью уравнения Саха можно вычислить, что на каждые 198 миллионов атомов водорода солнечной фотосферы приходится лишь один, способный давать бальмеровские линии. Все прочие в процессах рассеяния света совершенно не участвуют.

Перейдем к кальцию. На солнечных спектрограммах доминируют две линии поглощения этого элемента, которые обозначают латинскими заглавными буквами H и K. Их образуют однократно ионизированные атомы кальция (то есть атомы, потерявшие один электрон), которые, в отличие от оптически активных атомов водорода, пребывают в основном энергетическом состоянии. Практически весь фотосферный кальций однократно ионизирован, нейтральных атомов этого элемента там примерно один на тысячу. Более того, приблизительно 99,6% ионизированных атомов не возбуждены и, следовательно, могут давать на спектрограммах H-линии и K-линии. Так что, если атомы водорода выдают свое присутствие на спектрограммах очень редко, то атомы кальция делают это практически без исключений.

Теперь применим арифметику. Итак, на каждые 500 000 атомов водорода приходится один атом кальция, но только 1/198 000 000-я часть водородных атомов дает бальмеровские линии. Умножив 500 000 на 1/198 000 000, получим приблизительно одну четырехсотую. Выходит, что в солнечной фотосфере число атомов кальция, дающих следы на спектрограммах, в 400 раз больше числа водородных атомов, обнаруживающих там свое присутствие. Теперь понятно, почему линии поглощения кальция много сильнее водородных линий при неизмеримо меньшей плотности кальциевых атомов. И выяснить сей интересный факт позволило уравнение Саха!

Приведенные цифры очень просты, однако работа со стоящими за ними уравнениями довольно сложна — точнее, была сложна в докомпьютерную эру, когда ею занималась Сесилия Пейн. Подумав над этим примером, мы можем лучше оценить те препятствия, которые ей пришлось преодолеть. И, конечно, увидеть масштаб ее открытия.

Я ранее отметил, что выводы Сесилии Пейн вскоре подтвердили другие исследователи. В 1928 году это сделал немецкий физик и астрофизик Альбрехт Унзольд, годом позже — англичанин Уильям Хантер Маккри. Потом подключились другие ученые, включая и Расселла. В начале 1930-х годов они разработали эффективные методы оценки распространенности элементов в атмосферах звезд различных типов, которые принесли много ценнейшей информации. А ведь все началось с Сесилии Пейн и ее диссертации.

Медленный путь наверх

Закончив диссертацию, Сесилия позволила себе взять отпуск и отплыла в Англию. На корабле она познакомилась с тридцатилетним профессором Массачусетского технологического института Норбертом Винером, который ею немало увлекся — правда, ненадолго, романа не получилось. В Кембридже она попыталась оправдать свои результаты перед Эддингтоном, однако не преуспела. Он согласился с тем, что водород может доминировать на поверхности звезд, но дальше этого не пошел. Этому не приходится удивляться, поскольку Эддингтон тогда заканчивал работу над своей великой монографией The Internal Constitution of the Stars. Представленная в этой книге модель звезд, над которой Эддингтон работал с 1916 года, основывалась на предположении, что в их составе доминируют тяжелые элементы — кислород, кремний, алюминий, даже железо. Поэтому она никак не состыковывалась с утверждением, что звезды в основном состоят из водорода и гелия.

Когда Сесилия вернулась в американский Кембридж, перед ней встала проблема трудоустройства. Ее стипендии после защиты диссертации закончились, и надо было найти постоянное место работы. Все, что мог сделать Шепли, это предоставить ей малооплачиваемую и совершенно непрестижную должность технического ассистента в своей обсерватории. Зная, что других вариантов практически нет, она согласилась. Будучи в штате обсерватории, она уже не могла выбирать направление исследований — теперь его определял директор. Он предложил Сесилии для начала заняться фотометрией звездных спектров, накопленных в гарвардском архиве. Это стало основной темой ее работы на следующие пять лет. Свои результаты второй половины 1920-х годов она представила в нескольких десятках статей и обобщила в монографии The Stars of High Luminosity, которая вышла в свет в 1930 году. Кроме того, Шепли доверил ей подготовку аспирантского курса по звездной астрономии. Несмотря на отсутствие педагогического опыта, она оказалась хорошим лектором.

Нельзя сказать, чтобы Шепли не пытался продвинуть свою ассистентку. Однако из этого ничего не вышло. В 1909–1933 годах президентом Гарварда был политолог Эбботт Лоуренс Лоуэлл (Abbott Lawrence Lowell), профессор старой закалки и решительный противник участия женщин в делах университета. В 1928 году он специальным декретом запретил им занимать в Гарварде преподавательские места даже низшего ранга, не говоря уже о профессорских. Когда Шепли попытался ходатайствовать за Сесилию, Лоуэлл прямо ответил, что при его жизни она должности в университете не получит. Шепли также рекомендовал ее на вакантное место в канадской астрофизической обсерватории, но получил отказ под надуманным предлогом. И это при том, что к концу 1920-х годов ее революционное открытие уже получило признание и что в 1931 году она прошла натурализацию и стала американской гражданкой.

После 1930 года вектор исследований Сесилии Пейн вновь сместился — и опять по инициативе Шепли. Он с молодости сильно интересовался переменными звездами. В 1914 году он первым понял, что периодические вариации блеска переменных из семейства цефеид связаны с циклическими раздуваниями и спаданиями их поверхностных слоев — пульсациями. Вскоре он усовершенствовал методы вычисления зависимости между светимостью и периодами цефеид, что позволило их использовать для определения космических расстояний. В 1923–1925 годах Эдвин Хаббл применил цефеиды для определения дистанции до туманности Андромеды. Его результат оказался почти втрое заниженным, но все же однозначно показал, что туманность Андромеды не принадлежит Млечному Пути и является самостоятельной галактикой. В 1929 году Хаббл с помощью цефеид обнаружил расширение Вселенной. В результате этих открытий переменные звезды вышли на передний край интересов астрономов. Так что не приходится удивляться, что Шепли ориентировал Сесилию на их изучение, благо гарвардский архив содержал великое множество релевантных материалов.

В этой работе у нее появился неожиданный партнер. В 1933 году она посетила несколько европейских обсерваторий, включая и Пулково, где ее принимали с большим почетом. На обратном пути она участвовала в сессии Германского астрономического общества в Геттингене. Там она познакомилась с российским эмигрантом Сергеем Илларионовичем Гапошкиным. Будучи апатридом, он жил в Германии на птичьих правах, но все же смог в 1932 году защитить докторскую диссертацию по астрономии. У него была мизерная должность в Бабельсбергской обсерватории под Берлином, но его будущее после прихода к власти нацистов было в лучшем случае неопределенным, а скорее, просто опасным. Сесилия с немалым трудом помогла ему получить въездную визу в США и совсем уж скромное место в обсерватории Гарвардского колледжа. В марте 1934 года они поженились, и Сесилия Пейн стала Сесилий Пейн-Гапошкин. У них было трое детей — дочь и двое сыновей.

В Гарварде супруги вместе занимались переменными звездами, хотя по части науки Сесилия лидировала. В 1938 году они издали книгу Variable Stars со своими первыми результатами. Да и потом эта тема еще пятнадцать лет доминировала в их публикациях.

Вторая монография наконец-то изменила положение Сесилии к лучшему. В том же году она получила должность астронома (одновременно с Энни Кэннон). В 1945 году ее лекционные курсы впервые были включены в университетский каталог — до того они официально как бы не существовали. Через девять лет, в 1954 году, она выпустила учебное пособие для студентов Introduction to Astronomy (двумя годами позже оно вышло и в Британии). Годом ранее она опубликовала популярную книгу о звездной эволюции Stars in the Making. После Второй мировой войны она также собрала важные данные по новым звездам, которым в 1964 году посвятила фундаментальную монографию The Galactic Novae.

В середине 1950-х она достига вершины своей карьеры. В 1952 году Харлоу Шепли оставил пост руководителя обсерватории Гарвардского колледжа. Его заменил известный астрофизик и астрохимик (а также писатель-фантаст и космохудожник) Дональд Мензел — сначала как временный директор, а с 1954 года как постоянный. В 1945–1950 годах он возглавлял астрономическое отделение Гарварда, где его заменил крупный исследователь комет Фред Лоуренс Уиппл. Они оба очень ценили Сесилию Пейн и как ученого, и как преподавателя. В итоге их агитации и общего изменения обстановки в Гарварде 21 июня 1956 года она стала полным профессором астрономии, о чем в тот же день сообщила газета «Нью-Йорк Таймс». Чуть позже она сделалась третьим по счету заведующим астрономическим отделением. Сесилия Пейн вошла в историю старейшего и славнейшего высшего учебного заведения Америки как первая женщина, получившая там такие должности. Она занимала их до 1966 года, но и потом сохранила связь с университетом как Professor Emeritus.

Жизнь Сесилии Пейн оборвалась жестоко и быстро. Перебравшись в Америку, она стала заядлой курильщицей и до конца жизни не смогла отделаться от этой привычки. Летом 1979 года они с Сергеем решили отпраздновать ее 79-летие большим путешествием — Таити, Австралия, Филиппины, Индия и Турция. Еще в поездке она стала слабеть, а в конце у нее начались проблемы с дыханием. Дома ей сразу сделали биопсию, и результат оказался предсказуемым — терминальный рак легких. Лучевая терапия не помогла, и утром 7 декабря она скончалась. В том же году Гарвардский университет издал ее последнюю книгу по астрономии, которая много лет была одним из главных источников информации о звездах и звездных скоплениях: Stars and Clusters. Почти одновременно из печати вышла ее автобиография The dyer's hand.

Сесилия Пейн без устали трудилась всю жизнь. Я насчитал в ее библиографии 357 статей, написанных в одиночку или в соавторстве, и 8 книг (возможно, что-то и пропустил). У нее были почетные награды — хотя их оказалось бы куда больше, родись она мужчиной. Ее так и не избрали в Национальную Академию наук США, однако в 1952 году ее родной Кембридж присудил ей сразу две степени: магистерскую и докторскую. В 1974 году в астрономических каталогах появился астероид Пейн-Гапошкин.

Незадолго до смерти Сесилия Пейн подвела итог своей многолетней работы. «Мне не довелось войти в число создателей новых теорий, как я когда-то мечтала. Если я внесла вклад в науку, то он состоит в сборе, обработке, сравнении и классификации астрономических данных». Современники и потомки оценили этот вклад выше, много выше. И эта оценка не будет стерта беспощадным временем.

Алексей Левин