Стеклянный небосвод: Как женщины Гарвардской обсерватории измерили звезды

Корреляцию между температурой и спектральным классом звезд отмечали и другие исследователи, от первого классификатора Анджело Секки до современного теоретика Генри Норриса Рассела, но до Сахи никто не давал ей физического объяснения. По расположению и интенсивности фраунгоферовых линий Саха смог оценить истинные температурные диапазоны для звезд из различных дрейперовских категорий.

Последовав многообещающему начинанию Сахи, Эдвард Артур Милн – один из учителей мисс Пейн в Кеймбридже – переработал и улучшил его методы. Милн и его ассистент Ральф Фаулер получили другие значения звездных температур, но тоже соответствующие гарвардской системе. Фаулер и Милн исходили из намного более низкого давления звездных атмосфер, чем постулировал Саха, с учетом того, что газу вокруг звезды есть куда расширяться. В сравнении с атмосферным давлением у поверхности Земли ничтожное атмосферное давление звезды, вероятно, измерялось в малых долях грамма на квадратный сантиметр, и в подобных разреженных условиях вероятность ионизации атомов повышалась.

К 1923 году Фаулер и Милн подтвердили связь между квантовыми переходами и интенсивностью соответствующих фраунгоферовых линий. Открывалось новое направление исследований: тщательно изучив толщину линий различных спектральных классов, внимательный аналитик мог сделать вывод о содержании каждого составляющего звезду элемента. Исходный материал для открытий уже имелся в Америке, в фотоархивах Кеймбриджа и Пасадены. Когда мисс Пейн уезжала из Ньюнем-колледжа в Гарвардскую обсерваторию, Милн просил ее покопаться в тамошних снимках спектров, чтобы проверить и подтвердить теорию Сахи. «Я последовала совету Милна, – сообщала мисс Пейн, – и занялась переводом качественной информации, присущей системе Генри Дрейпера, в количественную».

Генри Норрис Рассел в Принстоне тоже втянулся в это исследование. Так как необходимых ресурсов в Принстоне не было, Рассел договорился о длительных командировках в Маунт-Вилсон и послал в Гарвард своего аспиранта Дональда Мензела изучать фотопластинки. Подготовка Мензела в области лабораторной спектроскопии дополняла знания мисс Пейн по атомной физике, но пара не сработалась.

«Я двигалась вперед в одиночку, – писала мисс Пейн о начале своих исследований. – Было ясно, что нужен количественный метод представления интенсивности спектральных линий, и я составила предварительную систему оценок на глазок. Затем последовала идентификация линейчатых спектров, выбор известных линий для исследования и трудоемкая задача оценки их интенсивности на сотнях снимков». Она часто пребывала в растерянности. Первой ее удачей стало обнаружение спектральных линий кремния у самых горячих звезд, соответствующих четырем последовательным стадиям ионизации (от нейтрального атома до утраты одного, двух и, наконец, трех электронов). Эти наблюдения позволили рассчитать нагрев, необходимый для отрыва электронов, и таким образом установить температуру звезд класса O в диапазоне от 23 000 до 28 000 градусов.

Порой мисс Мори, тоже любившая работать допоздна, забегала к ней поделиться любопытными данными своего текущего спектрального исследования южных двойных звезд. Удовольствие от этих разговоров, по словам мисс Пейн, «немного портили назойливые комары», поскольку мисс Мори не любила закрытых окон, но ей было жалко убивать живность.

Элемент за элементом, прикидывая, строя графики и делая расчеты, мисс Пейн разбирала спектры, чтобы определить температуру звезд. Все ее данные отражали температуру звездных атмосфер – видимых поверхностных слоев звезд, излучавших свет. О температурах в недрах звезд можно было только гадать. Никто не знал, какие процессы дают звездам их могучую энергию.

Шепли, твердо вознамерившийся увидеть мисс Пейн первой в Гарварде обладательницей докторской степени по астрономии, собрал комиссию преподавателей, чтобы составить для нее предварительные вопросы к письменному экзамену. Она успешно сдала его 10 июня 1924 года. Как полноправная соискательница докторской степени мисс Пейн посещала летние астрономические конференции в Нью-Гэмпшире и Онтарио, размышляя между тем, где взять деньги на продолжение учебы. Стипендия Пикеринга предоставлялась на год, и ее продление не предусматривалось.

В Торонто, на августовском съезде Британской ассоциации содействия развитию науки, мисс Пейн снова встретила своего первого кумира Артура Стэнли Эддингтона, а также Эдварда Артура Милна. Они предупредили ее, что в Англии перспективы для женщин-астрономов не улучшились и ей по возможности надо оставаться по эту сторону Атлантики. К счастью, мисс Пейн, будучи аспиранткой моложе тридцати, которая хотела обучаться в США при сохранении иностранного гражданства, соответствовала требованиям Мемориальной стипендии Розы Сиджвик, которую назначала Американская ассоциация женщин, обучавшихся в университетах. Полученные таким образом в сентябре $1000 обеспечили ей второй год в Гарварде.