خبر یزد - زومیت / هزاران سال، دانشمندان درباره ماهیت ستارگان اشتباه می‌کردند تا اینکه پژوهش‌های دانشمندی جوان، تصویر کیهان را برای همیشه در ذهن آن‌ها دگرگون کرد.
سسیلیا پین-گاپوشکین، ستاره‌شناس جوانی که در اوایل قرن بیستم در هاروارد فعالیت می‌کرد، نخستین کسی بود که ترکیب شیمیایی ستارگان را به‌طور دقیق کشف کرد. او نشان داد که هیدروژن و هلیوم و نه عناصر سنگین، مواد غالب تشکیل‌دهنده ستارگان هستند. این کشف، باورهای رایج زمانه را زیر و رو کرد و پایه نجوم مدرن و اخترشیمی را بنیان نهاد.
بازار ![]()
پین-گاپوشکین با بهره‌گیری از داده‌های طیفی جمع‌آوری‌شده روی صفحات شیشه‌ای و درک عمیق از فیزیک اتمی، توانست تفاوت میان ترکیب شیمیایی و دمای ستارگان را مشخص کند. او با جسارت علمی خود، نظریه‌های پیشین را کنار گذاشت و نشان داد که نگاه انسان به ستارگان باید از نو تعریف شود.
با وجود چالش‌های جنسیتی و نادیده گرفتن‌های اولیه، پین-گاپوشکین به الگویی الهام‌بخش برای زنان دانشمند تبدیل شد و سرانجام به درجه استاد تمام در هاروارد رسید. کشف او نه‌تنها درک ما از ستارگان و کیهان را متحول کرد، بلکه مسیر تحقیقات اخترشیمی و مطالعه تکامل ستارگان را برای نسل‌های بعدی هموار ساخت.
ستاره‌شناسی قدیمی‌ترین علم بشر است و آسمان، نخستین آزمایشگاه ما بوده است. هزاران سال پیش، انسان‌ها پیش از به وجودآمدن نوشتار، دایره‌های سنگی می‌ساختند تا اولین پرتوهای خورشید در انقلاب تابستانی را ثبت کنند، تقویم‌های ماهیانه را روی استخوان‌ها حک می‌کردند و سیاره‌ها را در افسانه‌ها و داستان‌های خود جای می‌دادند.
با گذشت زمان، بشر یاد گرفت چگونه آسمان را بررسی و رصد کند و در قرن شانزدهم، انقلاب کوپرنیکی جایگاه زمین در کیهان را به‌طور کامل بازتعریف کرد. اما پس از هزاران سال که دانشمندان مرد به آسمان خیره شده بودند، یک زن بود که نخستین بار توانست ستارگان را واقعاً بشناسد. این ستاره‌شناس زن جوان در رساله دکتری خود در هاروارد، با جسارت نظریه‌ای را ارائه داد که باورهای رایج زمانه را زیر و رو کرد.
سسیلیا هلنا پین-گاپوشکین فقط 25 سال داشت که متوجه شد ستاره‌ها عمدتاً از هیدروژن و هلیوم و به مقدار کم از تقریباً تمام عناصر دیگر تشکیل شده‌اند. این کشف در سال 1925 یکی از نخستین تلاش‌های موفق برای به‌کارگیری فیزیک کوانتومی نوپا در رصد ستارگان بود و بلافاصله باعث بحث و جنجال شد.
در آن زمان، ستاره‌شناسان تصور می‌کردند ستارگان در واقع زمین‌های داغ هستند؛ یعنی کره‌هایی سوزان از آهن، سیلیکون و دیگر عناصر سنگین که سیاره‌های سنگی ما را می‌سازند. پین-گاپوشکین، از همکاران ارشد خود می‌خواست همه تصورات پیشینشان درباره ستارگان را کنار بگذارند و جهان را از نو تعریف کنند.
مدتی طول کشید، اما در نهایت آن‌ها پذیرفتند.
دیوید شاربونو، ستاره‌شناس دانشگاه هاروارد، می‌گوید: «نمی‌توان تأثیر این کشف را دست کم گرفت.» پین-گاپوشکین با آشکارکردن ترکیب ستارگان، راه را برای درک نحوه شکل‌گیری و تکامل ستارگان، منشأ عناصر شیمیایی و حتی چگونگی آغاز جهان هموار کرد. او ادامه می‌دهد: «این کشف تصویر ما از کیهان را کاملاً متحول کرده است.»
در دل انقلاب کوانتومی
پین-گاپوشکین در سال 1900 در انگلستان به دنیا آمد، همان سالی که ماکس پلانک برای نخستین بار ازطریق مطالعاتش روی چگونگی تابش نور توسط اجسام داغ، چشم‌اندازی از دنیای کوانتومی به دست آورد. قوانین وراثت گرگور مندل که پیش‌تر ناشناخته مانده بودند دوباره کشف شدند و رشته‌ای نوظهور به نام ژنتیک در حال شکل‌گیری بود.
پین-گاپوشکین نشان داد که ستارگان عمدتاً از هیدروژن و هلیوم ساخته شده‌اند و نه عناصر سنگینی مانند آهن و سیلیکون
به لطف پیشرفت‌های بهداشت و پزشکی، مرگ و میر کودکان در حال کاهش بی‌سابقه‌ای بود: بین سال‌های 1900 تا 1950 در بریتانیا، این نرخ از 23 درصد به 3٫7 درصد کاهش یافت. همچنین دانشمندان سرانجام متقاعد شدند که جهان از اتم‌ها ساخته شده است.
پین-گاپوشکین احساس می‌کرد هیچ رازی در طبیعت نمی‌تواند از ذهن کنجکاو او پنهان بماند. او در خاطرات خود در سال 1979 نوشت: «از همان کودکی تصمیم گرفتم به تحقیق بپردازم و از این که ممکن است همه اسرار پیش از آنکه به اندازه کافی بزرگ شوم کشف شده باشند، دچار وحشت می‌شدم!»
البته دلیلی برای وحشت وجود نداشت. وقتی پین-گاپوشکین در سال 1919 وارد دانشگاه کمبریج شد، فیزیکدانان هنوز درحال درک ساختار و رفتار پایه‌ای اتم‌ها بودند و به‌ویژه نحوه تعامل آن‌ها با نور را مورد بررسی قرار می‌دادند.
قرن‌ها پیش، دانشمندان متوجه شده بودند نور هنگام عبور از منشور به صورت رنگین‌کمانی پخش می‌شود، پدیده‌ای که ایزاک نیوتن آن را «طیف» نامید. در اوایل قرن نوزدهم، ویلیام هاید ولستون دانشمند انگلیسی با استفاده از منشور، نور خورشید را به طیف رنگ‌ها تبدیل کرد و این پدیده را مورد مطالعه قرار داد.
وقتی دانشمندان نور را از منشور عبور دادند، رنگین‌کمانی شکاف‌دار دیدند؛ یعنی رنگ‌ها به طور کامل پیوسته نبودند و خطوط خالی عجیب و غریبی در میان آن‌ها وجود داشت که قبلاً کسی متوجه نشده بود. بعدها، دو دانشمند آلمانی به نام‌های رابرت بونزن و گوستاو کیرشهف متوجه شدند که این خطوط خالی مثل اثر انگشت مخصوص هر عنصر شیمیایی عمل می‌کنند. خطوط وصف‌شده فقط در نور ستارگان دیده نمی‌شوند، بلکه در نور هر جسمی که نور ساطع می‌کند، ظاهر می‌شوند. بنابراین می‌توان با دیدن این خطوط، فهمید چه عناصر شیمیایی در آن جسم وجود دارد.
پین-گاپوشکین توانست با تحلیل طیف نوری ستارگان، ترکیب شیمیایی واقعی آن‌ها را آشکار کند
در هر اتم، الکترون‌ها در مدارهای مشخصی به نام اوربیتال حرکت می‌کنند و نمی‌توانند هر جایی اطراف هسته باشند. انرژی این الکترون‌ها محدود و مشخص است، درست مانند پله‌های یک نردبان که نمی‌توان بین پله‌ها ایستاد و فقط روی خود پله‌ها می‌توان قرار گرفت. وقتی الکترون‌ها از یک سطح انرژی به سطح دیگر می‌روند، نور با طول موج خاصی جذب یا ساطع می‌شود و این پدیده باعث ایجاد خطوط خالی یا شکاف‌ها در طیف نور می‌شود. برای بالارفتن از یک پله، الکترون‌ها باید یک فوتون یا بسته کوانتومی نور با مقدار دقیق انرژی جذب کنند. آن‌ها تنها می‌توانند از یک پله به پله بعدی صعود کنند و هرگز نمی‌توانند بین پله‌ها قرار بگیرند.
طول موج نور با انرژی آن مرتبط است؛ نور قرمز انرژی کمتری نسبت به نور بنفش دارد. همچنین الکترون‌های عناصر شیمیایی مختلف سطوح انرژی متفاوتی دارند و «پله‌های» انرژی اوربیتال آن‌ها در ارتفاع‌های متفاوتی قرار گرفته‌اند. بنابراین، هر عنصر تنها می‌تواند فوتون‌هایی با طول موج مشخص را جذب کند. این ویژگی به دانشمندان امکان می‌دهد با بررسی شکاف‌های موجود در طیف نور، عناصر شیمیایی را مانند بارکد شیمیایی شناسایی کنند.
وقتی پین-گاپوشکین وارد دانشگاه کمبریج شد، در بهترین موقعیت جهان برای مطالعه فیزیک اتمی قرار گرفت. در آزمایشگاه فیزیک کاوندیش او از بزرگان علم مانند جی.جی. تامسون، کاشف الکترون و ارنست رادرفورد، پیشگام فیزیک هسته‌ای، علم آموخت و تجربیات ارزشمندی کسب کرد.
نیلز بور به آزمایشگاه آمد تا دیدگاه تازه خود درباره اتم هیدروژن را توضیح دهد (که الکترون‌ها در اوربیتال‌های گسسته اطراف هسته حرکت می‌کنند) و نشان داد این مدل می‌تواند برای پیش‌بینی خطوط طیفی هیدروژن استفاده شود. پین-گاپوشکین به سرعت جذب این انقلاب کوانتومی شد و آن را پذیرفت. چند سال بعد، همین انقلاب راهی بود برای او تا رازهای ستارگان را کشف کند.
وقتی دنیای اتم‌ها با ستارگان ملاقات می‌کند
در آغاز، پین-گاپوشکین به شغل نیاز داشت. برای زنان جوان و باهوش انگلیسی در دهه 1920، معمولاً تنها مسیر حرفه‌ای موجود معلمی در مدارس بود. اما در آن سوی اقیانوس، در شهری دیگر به نام کمبریج در ماساچوست، رصدخانه هاروارد جایگاهی برای او داشت. این رصدخانه طی دهه‌ها، زنان را به عنوان «کامپیوترهای نجومی» به خدمت گرفته بود. (زنانی که مسئول محاسبه و تحلیل داده‌های نجومی بودند و با مشاهده عکس‌ها و نمودارهای ستارگان، اندازه‌گیری‌ها و محاسبات لازم برای درک حرکت و ویژگی‌های ستارگان را انجام می‌دادند.)
پین-گاپوشکین با حمایت بورسیه ویژه زنان ستاره‌شناس در هاروارد، فرصت یافت تا به مدت یک سال در رصدخانه به تحقیق بپردازد. آن یک سال تبدیل به دو سال شد و سپس به یک عمر کامل انجامید. اما او هنگام سوار شدن به کشتی در سال 1923 برای آغاز زندگی جدید در ایالات متحده، هنوز نمی‌دانست که مسیر زندگی‌اش تا این حد تغییر خواهد کرد.
در سال 1925، زنان در دانشگاه هاروارد به عنوان کامپیوترهای نجومی مشغول به‌کار بودند و صفحات عکاسی شیشه‌ای حاوی تصاویر ستارگان را مطالعه می‌کردند. سسیلیا پین-گاپوشکین پشت میز طراحی و تحلیل داده‌ها نشسته است.
برای فرانسیله کروچکیویچ، اخترشیمیدان دانشگاه لیدن، این بخش از داستان پین-گاپوشکین بسیار تأثیرگذار است. او می‌گوید: «من با سسیلیا ارتباط برقرار کردم. من از برزیل به اروپا آمدم تا بتوانم رویاهایم را دنبال کنم.» داشتن پین-گاپوشکین به عنوان یک الگوی الهام‌بخش باعث شد او احساس تنهایی کمتری داشته باشد.
با وجود کشفیات بزرگش، سال‌ها جایگاه واقعی پین-گاپوشکین در علم نادیده گرفته شد
از دهه 1880، رصدخانه هاروارد مجموعه‌ای عظیم از داده‌های نجومی را در قالب صفحات شیشه‌ای تولید کرد. این سطوح صاف با مواد شیمیایی حساس به نور پوشانده شده بودند و برای عکاسی از آسمان استفاده می‌شدند. اما برای پین-گاپوشکین جذاب‌تر این بود که این صفحات همچنین برای جمع‌آوری طیف‌های نوری ستارگان مورد استفاده قرار می‌گرفتند.
در دهه‌های قبل از ورود پین-گاپوشکین به هاروارد، زنان مشغول در بخش محاسبات، با دقت زیادی بخش عمده‌ای از داده‌های طیفی ستارگان را یادداشت و ثبت کرده بودند. یکی از این کامپیوترهای نجومی، زنی به نام آنی جامپ کانن، حتی سیستمی برای دسته‌بندی ستارگان براساس ویژگی‌های طیفی آن‌ها ابداع کرده بود که امروزه نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد.
ستاره‌شناسان تصور می‌کردند که این دسته‌های طیفی با ترکیب‌های شیمیایی متفاوت ستارگان مرتبط هستند. اما امکان دیگری نیز وجود داشت که پین-گاپوشکین، با آموزش‌هایش در فیزیک اتمی و دسترسی به صفحات شیشه‌ای هاروارد، در موقعیتی منحصر به فرد قرار داشت تا آن را آزمایش کند.
وقتی دمای ستارگان بسیار بالا باشد، الکترون‌های اتم‌ها از هسته جدا می‌شوند و اتم‌ها تبدیل به یون می‌شوند. این یون‌ها بعضی اوقات مثل اتم‌های دیگر رفتار می‌کنند و خطوط نوری در طیف ایجاد می‌کنند که شبیه به خطوط عناصر دیگر است. این پدیده برای ستاره‌شناسان مشکل‌ساز می‌شود؛ از آنجایی که ستاره‌ها بسیار داغ و پر از یون هستند، بنابراین تشخیص دقیق عناصر موجود در ستاره دشوار می‌شود.
اوایل دهه 1920، دانشمندان تازه فهمیدند که وقتی می‌خواهند نور ستارگان را تحلیل کنند، باید وجود یون‌ها در ستاره‌ها را هم در نظر بگیرند، زیرا یون‌ها می‌توانند خطوط طیفی را شبیه عناصر دیگر نشان دهند و تشخیص ترکیب واقعی ستاره را دشوار کنند.
طیف ستاره کاپلا که پین-گاپوشکین برای شناسایی خطوط هیدروژن و بررسی ترکیب شیمیایی ستارگان از آن بهره می‌گرفت.
تلسکوپ همراه با منشور، نور ستارگان را براساس طول موج پخش و طیف نوری ایجاد می‌کند. ستاره‌شناسان در آستانه قرن بیستم با ثبت این طیف‌ها روی صفحات شیشه‌ای، می‌توانستند ترکیب شیمیایی ستارگان را مطالعه کنند. طیف سیاه و سفید ستاره کاپلا (که در تصویر بالا مشاهده می‌شود) یکی از طیف‌هایی بود که پین-گاپوشکین از آن استفاده می‌کرد. این طیف با خطوط انرژی هیدروژن و احتمالاً توسط خود پین-گاپوشکین مشخص شده بود. این خطوط دقیقاً با خطوط موجود در طیف مدرن و رنگی ستارگان مشابه کاپلا مطابقت دارند.
در‌حالی‌که پین-گاپوشکین در آزمایشگاه کاوندیش فیزیک می‌آموخت، ستاره‌شناسی هندی به نام مقناد ساها فرمولی ابداع کرد که دمای گاز و فشار آن را به نسبت اتم‌هایی که الکترون‌های خود را از دست داده و یون شده‌اند، مرتبط می‌کرد. این فرمول کلید اتصال ویژگی‌های خطوط خالی در طیف ستارگان به شرایط فیزیکی واقعی و ترکیب شیمیایی آن‌ها بود. فرمول ساها بعدها توسط ادوارد آرتور میلن، ستاره‌شناس و رالف فاولر، ریاضیدان انگلیسی که هر دو از دانشگاه کمبریج بودند، بهبود یافت.
کشفیات پین-گاپوشکین پایه‌گذار علم اخترشیمی شد و درک دانشمندان را از شکل‌گیری و تکامل ستارگان متحول ساخت
اما ساها، میلن یا فاولر فرمول‌های یونیزاسیون را روی مشاهدات واقعی ستارگان اعمال نکرده بودند. کمی پیش از آنکه پین-گاپوشکین راهی هاروارد شود، میلن به او گفت که اگر جای او بود، از صفحات شیشه‌ای هاروارد استفاده می‌کرد تا کار ساها را از نظریه به عمل تبدیل کند.
پین-گاپوشکین در دو سال پرمشغله ابتدایی خود در هاروارد، دقیقاً همین کار را انجام داد. او با استفاده از نظریه یونیزاسیون حرارتی ساها، نشان داد که کلاس‌های طیفی ارائه‌شده توسط کانن، عمدتاً بازتاب تفاوت دماهای ستارگان هستند و نه ترکیب شیمیایی آن‌ها.
پین-گاپوشکین به این بسنده نکرد. او فرمول ساها را برعکس به کار برد تا بتواند با استفاده از طیف و دمای یک ستاره، وفور نسبی عناصر و یون‌های تشکیل‌دهنده آن را مشخص کند. براساس محاسبات او که در پایان‌نامه دکترای مشهورش در سال 1925 منتشر شد، هیدروژن و هلیوم به‌طور کامل بر ترکیب شیمیایی ستارگان غالب هستند.
کشف بزرگ رقم خورد: برخلاف آنچه قبلاً تصور می‌شد، ساده‌ترین اتم‌ها، عناصر اصلی سازنده جهان هستند.
میراث پایدار
کار پین-گاپوشکین با مخالفت‌هایی مواجه شد و دانشمند دیگری به نام هنری نوریس راسل، چند سال بعد به صورت مستقل به همان نتایج رسید و اعتبار کشف را به خود اختصاص داد.
کروچکیویچ می‌گوید او ابتدا درباره کشف‌های پین-گاپوشکین شنیده بود، اما درباره خود او چیزی نمی‌دانست (کروچکیویچ برای اولین بار ازطریق برنامه‌ای تلویزیونی با پین-گاپوشکین آشنا شد). اما چاپمن، ستاره‌شناس دانشگاه ناتینگهام در انگلستان نیز به ساینس‌نیوز می‌گوید هنگام تحقیق درباره تاریخچه ستاره‌شناسی برای کتابی در در سال 2021، از نقش پین-گاپوشکین در نجوم مطلع شد.
به گفته چاربونو، پین-گاپوشکین کم‌کم به جایگاهی که شایسته آن است می‌رسد. امروزه کار او درباره ترکیب ستارگان و بعدها درباره ستارگان متغیر و ساختار کهکشان‌ها، به عنوان پایه و اساس نجوم مدرن شناخته می‌شود.
کروچکیویچ ترکیب ابرهای میان‌ستاره‌ای را با استفاده از روش‌هایی مطالعه می‌کند که پین-گاپوشکین حدود صد سال پیش پایه‌گذاری کرد. او دستاورد پین-گاپوشکین را یکی از پایه‌های اصلی نجوم و اخترشیمی می‌داند و می‌گوید:
معتقدم که پین-گاپوشکین یکی از اولین اخترشیمیدان‌ها بود، زیرا او کسی بود که ترکیب شیمیایی جهان را کشف کرد.
چاپمن به مطالعه ستارگان نخستین می‌پردازد که از هیدروژن و هلیوم باقی‌مانده از بیگ‌بنگ شکل گرفتند. این تحقیقات مدیون کشف پین-گاپوشکین است که نشان داد جهان مملو از عناصر سبک است. چاپمن می‌گوید پین-گاپوشکین کمک کرد تا ما بفهمیم ستارگان چه هستند و چه تفاوتی با زمین و سیاره‌ها دارند.
سیسیلیا پین-گاپوشکین در پرتره‌ای که پس از مرگش منتشر شد، دیده می‌شود. او در دهه 1920 در هاروارد به پژوهش پرداخت و با مشاهدات ماندگار خود ترکیب ستارگان را آشکار ساخت.
کشف پین-گاپوشکین مانند مواردی همچون کشف تابش زمینه کیهانی و اولین سیارات فراخورشیدی نقطه عطف بزرگی در نجوم است. پایان‌نامه دکترای او پایه‌گذار بخش نجوم هاروارد شد. دانشمندانی که کشفیات دیگر را انجام دادند، جایزه نوبل گرفتند، اما پین-گاپوشکین نه. نمی‌توان به این سوال فکر نکرد که شاید اگر او مرد بود، همه چیز فرق می‌کرد.
پین-گاپوشکین درنهایت اولین زنی شد که در هاروارد به درجه استاد تمام ارتقا یافت و ریاست بخش نجوم را بر عهده گرفت. همان‌طور که خودش بعدها بیان کرد: «حقیقت سرانجام پیروز می‌شود و سخنان بی‌اساس به‌طور طبیعی، مانند تأثیر گرانش فکری، سقوط خواهند کرد.»