Nació en Wendover, Inglaterra en 1900. A los 19 años mientras estaba en la Universidad de Newham en Cambridge, se interesó por la astronomía después de escuchar una conferencia del profesor Eddington sobre su expedición a Brasil para observar un eclipse de Sol. Como la astronomía continuaba siendo considerada una rama de las matemáticas y ella estudiaba física, no podía pasarse a aquella disciplina. Sin embargo, continuó asistiendo a las conferencias de Eddington. Cuando Payne le confesó finalmente su deseo de convertirse en astrónomo, este le respondió: "no veo que exista ninguna objeción insuperable". Tras graduarse en Cambridge se planteó su futuro como astrónomo en Inglaterra, decidiéndose a ir a los Estados Unidos donde creía que una mujer sería mejor aceptada. Le fue concedida una beca para estudiar en el Harvard College Observatory y allí se dirigió para proseguir su carrera.
Payne se adaptó rápidamente en aquel ambiente entre las mujeres del observatorio de Harvard, trabajando bajo la dirección de Harlow Shapley, iniciando una investigación de los espectros estelares que eran compilados para el catálogo de Henry Draper. En 1925 Payne fue la primera persona (hombre o mujer) en hacer una tesis doctoral en astronomía en Harvard. Shapley quería que hiciera el doctorado en el departamento de física, pero fue rechazado y recibió su doctorado en astronomía en el Radcliffe College (centro para mujeres estudiantes).
Su tesis, Stellar Atmospheres, A contribution to the Observational Study of High Temperature in the Reversing Layer of Stars fue la primera monografía publicada por el observatorio de Harvard, siendo considerada durante mucho tiempo como "la más brillante tesis doctoral escrita nunca en astronomía".
En ella Payne calculó una escala de la temperatura correlacionada con el sistema de clasificación que Annie Cannon había desarrollado. También teorizaba sobre la composición de las estrellas, sugiriendo que estaban compuestas principalmente por hidrógeno. Sin embargo, cuando Eddington oyó esta teoría le dijo que era incorrecta, puesto que en la época se pensaba que todos los cuerpos celestes tenían composiciones muy similares. Consecuentemente, Payne escribió en su tesis que los resultados eran improbable y posiblemente incorrectos. Hoy sabemos que los resultados eran bastante exactos.
Después de finalizar su beca, se empleó en Harvard y trabajó junto a las demás mujeres del observatorio. En 1932 Payne realizó un viaje por Europa visitando varios observatorios del continente. Su destino final era la reunión del Astronomische Gesellschaft en Berlín. En su autobiografía Payne documenta las condiciones de vida en Rusia y en la Alemania Nazi. Mientras estaba en Berlín conoció a un joven ruso llamado Sergei Gaposchkin y supo de sus dificultades como astrónomo ruso en la Alemania de aquella época. Decidió ayudarle a salir de Europa y le buscó una plaza en Harvard, donde él llegó en noviembre de 1932. Dos años más tarde, en 1934, Sergei y Cecilia se casaban. Sin embargo, Cecilia no adoptó el apellido de su marido como es habitual en los Estados Unidos, sino que a partir de entonces lo añadió al suyo con un guión, por lo que pasó a firmar sus trabajos como Cecilia Payne-Gaposchkin. Sin embargo, a pesar de dar clases en la universidad, no fue hasta los años 50 que recibió el título de profesor y la cátedra de astronomía en Harvard. Cecilia Payne-Gaposchkin es considerada una de las más grandes astrónomas del siglo XX.
Entre sus principales contribuciones a la astronomía destacan el descubrimiento de la composición química de estrellas, en concreto que el hidrógeno y el helio son los elementos más abundantes de estrellas y del universo. Sobre los espectros, determinó temperaturas estelares y abundancias químicas usando la ecuación térmica de ionización de Saha. Su trabajo fue de importancia fundamental en el desarrollo del campo de las atmósferas estelares. Descubrió que todas las estrellas tienen abundancias químicas relativas muy similares, estando compuestas en un 99% por hidrógeno y helio. Realizó estudios y análisis detallados de los espectros estelares. Junto con su esposo S. I. Gaposchkin, observó y analizó las estrellas variables poniendo la base de su uso como indicadores de la estructura. También hizo importantes estudios de los espectros de novas galácticas.
Eduardo Pedraza Granado
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