Histoire des femmes scientifiques – Cecilia PAYNE-GAPOSCHKIN 
Domaines : Physique, Astronomie 
Principales réalisations : Explication des spectres du Soleil. Plus de 3 000 000 d’observations d’étoiles variables.
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Cecilia Helena Payne-Gaposchkin était une astronome et astrophysicienne anglo-américaine qui, en 1925, a proposé dans son thèse du doctorat une explication de la composition des étoiles en termes d’abondances relatives d’hydrogène et d’hélium. Cecilia Helena Payne était l’une des trois enfants nés à Wendover, en Angleterre, d’Emma Leonora Helena et d’Edward John Payne, un avocat londonien, historien et musicien accompli. Sa mère était issue d’une famille prussienne et avait deux oncles distingués, l’historien Georg Heinrich Pertz et l’écrivain suédois James John Garth Wilkinson. 
Le père de Cecilia Payne est mort quand elle avait quatre ans, forçant sa mère à élever seule la famille. Elle a fréquenté l’école de filles St Paul. En 1919, elle remporte une bourse au Newnham College de l’Université de Cambridge, où elle étudie la botanique, la physique et la chimie. Ici, elle a assisté à une conférence d’Arthur Eddington sur son expédition de 1919 sur l’île de Principe 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’Einstein. Cela a éveillé son intérêt pour l’astronomie. Elle a dit à propos de la conférence : « Le résultat a été une transformation complète de mon image du monde. Mon monde avait été tellement secoué que j’ai vécu quelque chose qui ressemblait beaucoup à une dépression nerveuse. » Elle a terminé ses études, mais n’a pas obtenu de diplôme en raison de son sexe ; Cambridge n’a accordé de diplômes aux femmes qu’en 1948.
Payne s’est rendu compte que sa seule option de carrière au Royaume-Uni était de devenir enseignante, alors elle a cherché des bourses qui lui permettraient de déménager aux États-Unis. Après avoir été présentée à Harlow Shapley, le directeur de l’Observatoire du Harvard College, qui venait de commencer un programme d’études supérieures en astronomie, elle quitta l’Angleterre en 1923. Cela fut rendu possible par une bourse pour encourager les femmes à étudier à l’observatoire. 
Le premier étudiant de la bourse était Adelaide Ames (1922) et le second était Payne. Shapley a persuadé Payne d’écrire une thèse de doctorat, et ainsi en 1925, elle est devenue la première personne à obtenir un doctorat en astronomie du Radcliffe College (qui fait maintenant partie de Harvard). Sa thèse était « Stellar Atmospheres, A Contribution to the Observational Study of High Temperature in the Reversing Layers of Stars ». Les astronomes Otto Struve et Velta Zeberg l’ont qualifiée de « sans aucun doute la thèse de doctorat la plus brillante jamais écrite en astronomie ».
Payne a pu relier avec précision les classes spectrales d’étoiles à leurs températures réelles en appliquant la théorie de l’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 différentes d’ionisation à différentes températures, et non à des quantités différentes d’éléments. Elle a découvert que le silicium, le carbone et d’autres métaux communs vus dans le spectre du Soleil étaient présents à peu près dans les mêmes quantités relatives que sur Terre, en accord avec la croyance acceptée de l’époque, qui soutenait que les étoiles avaient approximativement la même composition élémentaire que La terre. Cependant, elle a découvert que l’hélium et en particulier l’hydrogène étaient beaucoup plus abondants (pour l’hydrogène, d’un facteur d’environ un million). Ainsi,
Lorsque la thèse de Payne a été révisée, l’astronome Henry Norris Russell l’a dissuadée de présenter sa conclusion selon laquelle la composition du Soleil était principalement de l’hydrogène et donc très différente de celle de la Terre, car elle contredisait la sagesse acceptée à l’époque. Elle a par conséquent qualifié le résultat de sa thèse de « faux ». Cependant, Russell a changé d’avis quatre ans plus tard après avoir obtenu le même résultat par des moyens différents et l’avoir publié. Bien qu’il ait brièvement reconnu son travail dans son article, Russell a néanmoins souvent été reconnu pour la découverte même après l’acceptation du travail de Payne.
Après son doctorat, Payne a étudié les étoiles de haute luminosité afin de comprendre la structure de la Voie lactée. Plus tard, elle a examiné toutes les étoiles plus brillantes que la dixième magnitude. Elle a ensuite étudié les étoiles variables, faisant plus de 1 250 000 observations avec ses assistants. Ce travail a ensuite été étendu aux Nuages de Magellan, ajoutant 2 000 000 d’observations supplémentaires 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, Stars of High Luminosity (1930). Ses observations et analyses, avec son mari, Sergei Gaposchkin, d’étoiles variables ont jeté les bases de tous les travaux ultérieurs sur celles-ci. 
Payne-Gaposchkin est restée scientifiquement active tout au long de sa vie, passant toute sa carrière universitaire à Harvard. Au début, elle n’avait pas de poste officiel, servant simplement d’assistante technique à Shapley de 1927 à 1938. À un moment donné, elle envisagea de quitter Harvard en raison de son statut inférieur et de son salaire médiocre. Cependant, Shapley s’efforça d’améliorer sa position et, en 1938, elle reçut le titre d ‘«astronome». Plus tard, elle a demandé que ce titre soit changé en Phillips Astronomer. Elle a été élue membre de l’Académie américaine des arts et des sciences en 1943. Aucun des cours qu’elle a enseignés à Harvard n’a été enregistré dans le catalogue avant 1945.
Lorsque Donald Menzel est devenu directeur de l’Observatoire du Harvard College en 1954, il a tenté d’améliorer sa nomination et, en 1956, elle est devenue la première femme à être promue professeur titulaire au sein de la faculté de la Faculté des arts et des sciences de Harvard. Plus tard, avec sa nomination à la présidence du département d’astronomie, elle est également devenue la première femme à diriger un département à Harvard. Ses élèves comprenaient Helen Sawyer Hogg, Joseph Ashbrook, Frank Drake et Paul W. Hodge, qui ont tous apporté d’importantes contributions à l’astronomie. Elle a également supervisé Frank Kameny, qui est devenu un éminent défenseur des droits des homosexuels. Payne-Gaposchkin a pris sa retraite de l’enseignement actif en 1966 et a ensuite été nommé professeur émérite de Harvard. Elle a poursuivi ses recherches en tant que membre du personnel du Smithsonian Astrophysical Observatory et a édité les revues et les livres publiés par l’Observatoire de Harvard pendant vingt ans.
Selon G. Kass-Simon et Patricia Farnes, la carrière de Payne a marqué un tournant à l’Observatoire du Harvard College. Sous la direction de Harlow Shapley et du Dr EJ Sheridan (que Payne-Gaposchkin a décrit comme un mentor), l’observatoire avait déjà offert plus d’opportunités en astronomie aux femmes que d’autres institutions, et des réalisations notables avaient été réalisées au début du siècle par Williamina Fleming , Antonia Maury, Annie Jump Cannon et Henrietta Swan Leavitt. Cependant, avec le doctorat de Payne-Gaposchkin, les femmes sont entrées dans le « courant dominant »
Payne : Les étoiles sont principalement de l’hydrogène et de l’hélium
Peu de temps après avoir atterri en Amérique, Payne a commencé son travail à l’Observatoire de Harvard visant à calculer les abondances d’éléments dans les étoiles. Shapley a mis à sa disposition l’énorme bibliothèque de spectres de Harvard. Elle a d’abord développé un moyen de quantifier l’intensité des raies d’absorption. Puis elle a passé un an à travailler toute la journée et une grande partie de la nuit à analyser les spectres de centaines d’étoiles, essayant de développer des principes généraux à partir de ses observations.
Le silicium est devenu l’un de ses éléments chimiques préférés lorsqu’elle a découvert comment les intensités d’absorption du silicium et de ses ions : Si, Si+, Si2+ et Si3+ variaient avec la classe spectrale d’une étoile. La classe spectrale d’une étoile est définie par le degré d’ionisation des éléments de son atmosphère, qui est étroitement lié à sa température.
Après deux ans d’efforts inlassables, Payne a construit une échelle de température pour les étoiles en fonction de leurs intensités d’absorption lui permettant de calculer les abondances d’éléments chimiques. Elle a été stupéfaite lorsqu’elle a découvert :
Quel que soit le type spectral, les étoiles avaient toutes des compositions similaires
Les abondances d’hydrogène et d’hélium dans toutes les étoiles étaient énormes, bien supérieures à tous les autres éléments combinés
«Le fait que tant d’étoiles aient des spectres identiques est en soi un fait suggérant une uniformité de composition ; et le succès de la théorie de l’ionisation thermique dans la prédiction des changements spectraux qui se produisent d’une classe à l’autre est une indication supplémentaire dans la même direction.»
Malheureusement, son superviseur Shapley et le très influent Russell ont déclaré qu’il était impossible que l’hydrogène et l’hélium puissent éclipser la présence de tous les autres éléments et lui ont conseillé de ne pas le revendiquer dans son thèse doctorat. Puisque la parole de Russell faisait loi, elle suivit ses conseils. Sa thèse a montré que le soleil était presque entièrement composé d’hydrogène et d’hélium, mais elle a passé son temps à expliquer pourquoi cela ne pouvait pas être vrai plutôt qu’à explorer les implications. Néanmoins, Shapley a fait imprimer sa thèse sous forme de livre, Stellar Atmospheres, et elle a été largement saluée. Russell a recommandé à Payne de recevoir une bourse de recherche nationale. Dans Physical Review, John Quincy Stewart, l’un des collègues de Russell, a décrit les atmosphères stellaires comme suit :
Cecilia Payne a fait un long et solitaire voyage depuis son enfance en Angleterre jusqu’à la notoriété dans une communauté scientifique qui refusait une place aux femmes. Elle a commencé sa carrière scientifique avec une bourse à l’Université de Cambridge, où elle a suivi le cours de physique. Après avoir rencontré Harlow Shapley de Harvard, elle a déménagé dans le Massachusetts et a poursuivi un doctorat en astronomie. Sa thèse de 1925, intitulée Stellar Atmospheres, a été décrite par l’astronome Otto Struve comme « la thèse de doctorat la plus brillante jamais écrite en astronomie ». En calculant l’abondance des éléments chimiques à partir des spectres stellaires, ses travaux ont amorcé une révolution en astrophysique. Harlow Shapley aimait à dire que personne ne pouvait obtenir un doctorat s’il n’avait pas souffert dans le processus. Alors qu’elle approchait de la fin de son projet de doctorat sur les spectres stellaires, Cecilia Payne écrivait : «Il s’en est suivi des mois, presque un an si je me souviens bien, de confusion totale. J’étais souvent dans un état d’épuisement et de désespoir, travaillant toute la journée et jusque tard dans la nuit». Le sort des étudiants diplômés souffrants est peut-être mieux exprimé par une ligne du poète Percy Bysshe Shelley, en 1819 : « Comme les poètes, ils apprennent à travers leur souffrance ce qu’ils enseignent dans leurs chansons.
Lorsque Cecilia Payne a commencé son étude des spectres stellaires, les scientifiques pensaient que l’abondance relative des éléments dans les atmosphères du Soleil et des étoiles était similaire à celle de la croûte terrestre. En 1889, The Relative Abundance of the Chemical Elements du géochimiste Frank Wigglesworth Clarke était le résultat de son échantillonnage complet de minéraux provenant de nombreuses parties de la croûte terrestre. Bon nombre des raies fortes du spectre solaire provenaient des éléments les plus abondants sur Terre. Les éminents physiciens américains de l’époque, Henry Norris Russell et Henry Rowland, croyaient que les abondances élémentaires sur Terre et sur le Soleil étaient sensiblement identiques. 
Russel a écrit « La concordance des listes solaire et terrestre est de nature à confirmer très fortement l’opinion de Rowland selon laquelle, si la croûte terrestre devait être élevée à la température de l’atmosphère du Soleil, elle donnerait un spectre d’absorption très similaire. » Les spectres du Soleil et des autres étoiles étaient similaires, il est donc apparu que l’abondance relative des éléments dans l’univers était similaire à celle de la croûte terrestre. Payne avait une meilleure connaissance des spectres atomiques que la plupart des astronomes de l’époque. Elle connaissait également les travaux de 1920 du physicien Meghnad Saha sur l’ionisation thermique des atomes. Il a montré comment utiliser une équation d’équilibre de la chimie physique pour relier le rapport des états excités aux états fondamentaux, et la fraction des états ionisés à la température, la concentration d’électrons, le potentiel d’ionisation et d’autres propriétés de l’atmosphère stellaire. Payne a rencontré Saha lors de sa visite à Harvard, au moment même où son travail commençait à être connu des astronomes.
Thèse de Payne, terminé le 1er janvier 1925, confirma l’opinion de Russell et Rowland sur l’abondance des éléments les plus lourds dans les atmosphères stellaires. Elle a ensuite appliqué les équations de Saha à l’absorption de la série de Balmer dans l’hydrogène, qui provient des atomes dans le premier état excité. Elle a été la première à apprécier que, dans l’atmosphère du Soleil à 5700 K, seulement environ un atome d’hydrogène sur 200 millions est dans cet état excité, de sorte que la quantité totale d’hydrogène est grossièrement sous-représentée par l’absorption de Balmer. Un argument similaire vaut pour l’hélium. Elle a trouvé des résultats similaires pour d’autres stars. Payne a conclu que, contrairement à la Terre, l’hydrogène et l’hélium sont les éléments dominants du Soleil et des étoiles. Henry Norris Russell s’est fermement opposé à cette conclusion et l’a convaincue de l’omettre de sa thèse. Cependant, les valeurs actuellement acceptées pour la fraction massique des éléments dans la Voie lactée sont : ~ 74 % d’hydrogène, 24 % d’hélium ; tous les éléments restants, 2%, confirmant le résultat de Payne. Sa découverte de la véritable abondance cosmique des éléments a profondément changé ce que nous savons de l’univers. Les géants – Copernic, Newton et Einstein – ont chacun à leur tour apporté une nouvelle vision de l’univers. La découverte par Payne de l’abondance cosmique des éléments n’a rien fait de moins.
En 1934, Payne visita l’observatoire de Leningrad, à une époque de grande tension soviéto-allemande, de conditions de vie difficiles et de méfiance envers les étrangers. Elle a poursuivi sa visite en Allemagne, où les conditions étaient tout aussi tendues, et a rencontré un jeune astronome russe, Sergei Gaposchkin. Malgré les difficultés et la persécution en Union soviétique en raison de ses opinions politiques, il avait réussi en tant qu’astronome. Maintenant, il faisait face à la persécution parce qu’il était russe. Il lui a demandé de l’aider à se rendre en Amérique. Elle a été émue par son histoire et, après être rentrée chez elle, elle a travaillé dur pour lui obtenir un visa d’apatride. Il est venu et, plus tard en 1934, ils se sont mariés et elle est devenue Cecilia Payne-Gaposchkin.
À la fin de son doctorat, après avoir envisagé d’autres opportunités, elle a décidé de rester à Harvard. À l’époque, l’avancement au poste de professeur était refusé aux femmes à Harvard, alors elle a passé des années dans des fonctions moins bien rémunérées. Elle a publié plusieurs livres, dont Les étoiles de haute luminosité, 1930 ; Étoiles variables, 1938 ; et étoiles variables et structure galactique, 1954. Enfin, en 1956, Payne-Gaposchkin a réalisé deux premières à Harvard : elle est devenue la première femme professeur et la première femme à devenir directrice de département. Sa nécrologie disait, en partie, « Cecilia Helena Payne-Gaposchkin, une astrophysicienne pionnière et probablement la femme astronome la plus éminente de tous les temps, est décédée à Cambridge, Massachusetts, le 7 décembre 1979. Dans les années 1920, elle a dérivé l’abondance cosmique du éléments du spectre stellaire et a démontré pour la première fois l’homogénéité chimique de l’univers »
Cecilia Payne (1900-1979)
Cecilia Helena Payne-Gaposchkin était une astronome anglo-américaine qui a été la première à appliquer les lois de la physique atomique à l’étude de la température et de la densité des corps stellaires, et la première à conclure que l’hydrogène et l’hélium sont les deux éléments les plus courants dans l’univers. Au cours des années 1920, l’explication acceptée de la composition du Soleil était un calcul d’environ 65% de fer et 35% d’hydrogène. À l’Université de Harvard, dans sa thèse de doctorat (1925), Payne a affirmé que le spectre du soleil était compatible avec une autre solution : 99 % d’hydrogène avec de l’hélium et seulement 1 % de fer. Elle avait du mal à convaincre ses supérieurs de prendre son travail au sérieux. Il a fallu encore 20 ans avant que la demande initiale de Payne ne soit confirmée, par Fred Hoyle.
https://mathshistory.st-andrews.ac.uk/Biographies/Payne-Gaposchkin/
https://www.aps.org/publications/apsnews/201501/physicshistory.cfm
https://scientificwomen.net/women/payne-gaposchkin-cecilia-77