Cecilia Payne a étonné la communauté scientifique qui croyait que la composition des étoiles était similaire à celle de la Terre. Découvrez la biographie d’une des premières femmes astronomes.

Jeunesse de Cecilia Payne

Cecilia Payne vient au monde le 10 mai 1900 dans la ville de Wendover, au Royaume-Uni. Elle est l’un des trois enfants d’Edward Payne, avocat, musicien et historien et d’Emma Pertz. Sa mère vient d’une famille prussienne et a deux oncles distingués, l’historien Georg Heinrich Pertz et l’écrivain suédois James John Garth Wilkinson. Le père de Cecilia Payne meurt en 1904 obligeant sa mère à élever seule la famille.

Cecilia Payne étudie à l’école de filles Saint Paul, puis à l’âge de dix-neuf ans, elle obtient une bourse pour étudier au Newnham College qui appartient à l’Université de Cambridge.

Pendant ses études, elle assiste à une conférence d’Arthur Eddington à propos de son expédition de 1919 sur l’île de Principe dans le golfe de Guinée au large de la côte ouest de l’Afrique. Il était parti pour observer et photographier les étoiles près d’une éclipse solaire comme test de la théorie de la relativité générale d’Einstein. Cette conférence suscite l’intérêt de la jeune étudiante pour l’astronomie. Elle dira 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 ressemble beaucoup à une dépression nerveuse.”

Bien qu’elle termine ses études avec brio, Cecilia Payne n’obtient pas son diplôme, l’Université n’acceptant pas de donner des diplômes de licence aux femmes jusqu’en 1948. La seule option de carrière en Angleterre pour elle étant d’être une enseignante modeste, elle commence à chercher des subventions qui lui permettraient de déménager aux États-Unis. C’est alors qu’elle rencontre Harlow Shapley, le directeur de l’observatoire astronomique du Harvard University College. Ce dernier a créé une bourse pour encourager les femmes à étudier à l’observatoire. Après Adelaide Ames en 1922, Cecilia est la deuxième étudiante à en bénéficier.

Début en tant que femme astronome

En 1923, Cecilia Payne émigre aux États-Unis et travaille à l’observatoire. Pendant des décennies, l’Observatoire de l’Université de Harvard a compté parmi ses rangs des femmes talentueuses qui consacraient leur vie à l’étude des étoiles : Williamina Fleming, Henrietta Leavitt ou encore Adelaide Ames.

En 1925, Cecilia Paine présente une thèse intitulée Stellar Atmospheres, A Contribution to the Observational Study of High Temperature in the Reversing Layers of Stars. La jeune femme de 25 ans devient la première personne à obtenir un doctorat dans le domaine de l’astronomie à Radcliffe College qui fait aujourd’hui partie de Harvard. L’astronome Otto Struve, spécialiste de la spectroscopie stellaire et de l’astrophysique à l’observatoire de Yerkes, salue le travail de Cecilia Payne comme la thèse la plus brillante jamais écrite en astronomie.

Une thèse controversée

Dans sa thèse, Payne relie avec précision les classes spectrales des étoiles à leurs températures réelles en appliquant la théorie de l’ionisation développée par le physicien indien Meghnad Saha. Selon ce scientifique, plus la température est élevée et plus le nombre d’atomes ionisés est grand.

Cecilia Payne démontre que la grande variation des raies d’absorption stellaire est due aux différences d’ionisation se produisant aux différentes températures, et non à des quantités différentes d’éléments. Elle découvre que le silicium, le carbone et d’autres métaux communs vus dans le spectre du Soleil sont présents dans à peu près les mêmes quantités relatives que sur Terre. Ceci est en accord avec la croyance acceptée de son époque, qui soutient que les étoiles ont approximativement la même composition élémentaire que la Terre. Cependant, elle constate que l’hélium et en particulier l’hydrogène sont beaucoup plus abondants (pour l’hydrogène, d’un facteur d’environ un million). L’une des principales conclusions de sa thèse est que l’hydrogène est le composant le plus abondant dans la constitution des étoiles, et par conséquent l’élément le plus abondant de l’Univers.

Cette nouvelle théorie n’est pas totalement acceptée par la communauté scientifique qui pense que la principale composante des étoiles est le fer. D’éminents astronomes restent radicalement opposés à ces conclusions et continuent à défendre l’idée que les étoiles sont rocheuses et qu’elles ont une composition similaire à celle de la Terre.

En relisant la thèse de Payne, l’astronome Henry Norris Russell essaie de la dissuader de présenter sa conclusion. Il qualifie même le résultat de sa thèse de « faux ». Cependant, il obtient le même résultat par des moyens différents et le publie. Bien qu’il reconnaisse brièvement le travail de Payne dans son article, Henry Russel reçoit tous les lauriers pour cette découverte scientifique.

Harlow Shapley embauche immédiatement Cecilia Payne comme chercheuse à l’Observatoire universitaire. Mais il faudra attendre 1938, pour que l’Université reconnaisse le titre officiel d’« astronome ». 

Cecilia Payne-Gaposchkin

En mars 1934, Cecilia Payne épouse Sergei Gaposchkin, un astronome russe émigré aux États-Unis. Elle ne prend pas le nom de famille de son mari, mais décide de l’ajouter au sien avec un trait d’union : Cecilia Payne-Gaposchkin. Ensemble, ils étudient la magnitude de plus de deux millions d’étoiles dans la Voie lactée et les Nuages de Magellan. Leurs observations et leur analyse des étoiles variables ont jeté les bases de tous les travaux ultérieurs dans ce domaine.

Astronome reconnue

Au début de sa carrière, Cecilia n’a pas de poste officiel et sert simplement d’assistante technique à Shapley de 1927 à 1938. En raison de son statut et de son bas salaire, elle finit par envisager de quitter Harvard. En effet, toutes les femmes qui ont étudié à l’observatoire reçoivent un salaire inférieur à celui des hommes et ne sont pas officiellement considérées comme des scientifiques. En 1938, elle est enfin reconnue officiellement comme astronome à Harvard. 

Dix-huit ans plus tard, elle est nommée professeure titulaire au College of Arts and Sciences grâce à Donald Menzel, nommé nouveau directeur de l’Observatoire du Harvard College en 1954. Peu de temps après, elle devient directrice du département d’astronomie et la première femme à diriger un département au sein de la prestigieuse université américaine.

En 1966, elle prend sa retraite de l’enseignement, mais continue à travailler comme chercheuse au Smithsonian Astrophysical Observatory. À la fin de ses jours, Cecilia Payne écrit son autobiographie. Elle décède peu avant son 80e anniversaire, le 7 décembre 1979, dans le Massachusetts, aux États-Unis. En son honneur, l’astéroïde 2039 porte le nom de Payne-Gaposchkin.

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Sources

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