No te lances a la ciencia buscando fama o dinero. Hay maneras más fáciles y mejores de alcanzarlas. Hazlo solo si nada más te satisface, pues probablemente nada más recibirás. Tu recompensa será la ampliación de tus horizontes a medida que asciendes, y si logras esa recompensa, no pedirás otra.

(Cecilia Payne-Gaposchkin)

Hubo un tiempo en que los astrónomos creyeron que el Sol no era más que una enorme Tierra incandescente, hecha de los mismos materiales que nuestro planeta. Una joven astrónoma, luego de analizar varias estrellas determinó, en una de las mejores tesis de la historia, que el Sol y en sí todas las estrellas, no comparten la misma composición que la Tierra, sino que sus principales materiales son el Hidrógeno y el Helio, los elementos básicos del Universo. La ciencia de la época desestimó tal estudio por parecerle absurdo.

Aquella estudiosa mujer tuvo que dar la espalda a su investigación por la presión de varios científicos y concluir que sus resultados eran posiblemente erróneos. Sin embargo, años después se comprobó que estaba en lo cierto y que la abundancia del Hidrógeno y del Helio en las estrellas era millón de veces mayor que la de otros elementos. Descubrir de qué está compuesto nuestro Universo, es tan importante como el descubrimiento de la evolución de Darwin, el descubrimiento de la gravedad de Newton o el descubrimiento de la relatividad de Einstein. El nombre de esta científica que pocos conocen: Cecilia Payne-Gaposchkin.

Cecilia Helena Payne nació a comienzos del siglo XX, el 10 de mayo de 1900 en Wendover, Inglaterra. Su padre falleció cuando ella tenía apenas cuatro años, quedando al cuidado de su madre junto a sus dos hermanos. A los doce años, la familia se trasladó a Londres, donde Cecilia fue matriculada en una escuela religiosa. Ya en estos tiempos Cecilia mostraba ser una audaz estudiante teniendo interés en lecturas que no se centraban en la religiosidad de su escuela. Sus inquietudes intelectuales le causarían problemas y a los 17 años fue expulsada por querer camuflar un libro de Platón con una tapa de la Biblia.

Tras la expulsión, ingresó en la escuela femenina Saint Paul’s Girls’ School de Londres, donde finalmente pudo estudiar con mayor libertad materias científicas. Un año después, en 1919, obtuvo una beca para ingresar al Newnham College que era parte de la Universidad de Cambridge. El Newnham, aunque era uno de los pocos lugares en la época que aceptaba mujeres, no tenía tanta libertad como se pensaba. Esto es debido a que tenía una fuerte tradición académica en la que a los hombres se les guiaba hacia ciencias duras como las matemáticas y a la física, y a las mujeres a ciencias que no eran tan importantes para la Universidad como la Botánica.

En el Newnham, Cecilia estudiaba Botánica con pasión, hasta que esta pasión cambió de rumbo. La razón fue una conferencia que dio el astrofísico Arthur Stanley Eddington. En esta exposición, Eddington explicó cómo su reciente expedición para observar un eclipse solar comprobaba la teoría de la relatividad general de Einstein, demostrando que, efectivamente, la luz se desvía al pasar cerca del Sol. Cecilia Payne quedó tan asombrada, que ella misma recordaría más tarde en sus memorias el no poder dormir bien por tres días, e incluso llegar a su habitación y transcribir todo lo que recordaba de memoria, de tan reveladora conferencia.

Su pasión, entonces, se centró en la astronomía. Poco después de la llegada del astrofísico inglés, Cecilia se cambió a la especialización de Física y comenzó a estudiar por su cuenta todo lo que podía sobre astronomía.

En las nuevas clases de ciencias físicas, es donde conocería a otro de los grandes científicos de la historia de la ciencia, el premio Nobel Ernest Rutherford. Cambiar de rumbo en sus estudios no le resultó nada fácil. Era la única mujer en su clase, y sus compañeros se burlaban constantemente de su presencia. Por su condición debía sentarse en la primera fila y asistir obligatoriamente con vestido largo y sombrero.

Eran unos tiempos difíciles para las mujeres. Aunque podían asistir a clases, no podían obtener un título. Cuando Cecilia ingresó a la Universidad, las mujeres ya podían entrar a la biblioteca, pero años antes no tenían permitido hacerlo. Aunque Cecilia y otras mujeres podían entrar a la biblioteca y consultar los libros, no podían sacarlos prestados. Esto la obligaba a copiar los textos a mano, para estudiarlos en casa con más detenimiento.

En su estadía en Cambridge Cecilia comenzó a empaparse con todos los temas de ciencias que podía. A parte de conocer a Rutherford en las clases experimentales que impartía, también asistió a las conferencias que daba Niels Bohr sobre estructura atómica y conoció las recientes teorías de ionización de los elementos del físico indio Meghnad Saha. También reaperturó el observatorio de Newham y ella misma comenzó a explorar el cielo con un pequeño telescopio. Todos estos conocimientos fueron cruciales para hacer años después uno de los descubrimientos más importantes de la historia.

En 1922 conoció al astrónomo norteamericano Harlow Shapley y ya que en Inglaterra ninguna mujer podía obtener un título universitario al terminar sus estudios, Cecilia al culminar su carrera optó por una beca ofrecida por el mismísimo Shapley en el Observatorio de la Universidad de Harvard. La beca de posgrado que constaba de 500 dólares no se ocupaba de la movilidad de Inglaterra a Estados Unidos. Para conseguir el dinero suficiente para llegar a Harvard Cecilia tuvo que participar en un concurso de ensayos, el cual ganó con mucha suerte ya que, al no presentarse otro participante, Payne ganó la suma de 50 libras lo cual fue suficiente para llegar a su nuevo destino.

Ya en Harvard, Shapley un científico poco tradicionalista y sin limitar a las mujeres, puso a Cecilia en el centro de investigación espectroscópica llamado también el Edificio de ladrillos. Este apartado de la universidad juntaba a varias mujeres científicas que hicieron los mejores descubrimientos de la época. Cecilia ocuparía el mismo escritorio que años antes había ocupado Henrietta Leavitt, otra de las grandes astrónomas a la que le debemos el fundamento para medir las distancias hacía otras estrellas.

Payne era acérrima amante de su trabajo. Laboraba hasta tarde y a veces se queda días enteros en las oficinas del edificio. Algunas personas pensaban que era el fantasma de Leavitt la que merodeaba el lugar, pero era Cecilia la que encendía las luces en las noches para seguir trabajando. En Harvard encontró a varias científicas y se haría muy cercana con otras mujeres que también harían historia en la astronomía, como Antonia Maury, Adelaida Ames y Annie Jump Cannon (cuya historia fue motivo de otro de nuestros artículos1).

Por esos días Shapley le pidió a Cecilia que continuara con el trabajo de Leavitt sobre estrellas variables. Sin embargo, ella tenía otros planes de estudio en los que quería aplicar sus conocimientos sobre estructura atómica con las placas de espectros que abundaban en el edificio. Aunque en Harvard nadie había tratado de hacer tal investigación, Shapley le dio el permiso para emprender en esta tarea, pues Cecilia era la más apta para introducirse en tales temas. Recordemos que Payne, al provenir de Inglaterra, conocía las teorías de Rutherford, Bhor y Saha. Con toda las teorías y el acceso a los datos de los espectros de Harvard tenía todo a la mano para hacer uno de los estudios que revolucionaria la ciencia.

Payne comenzó con esmero a estudiar los espectros de las estrellas más calientes y quiso enviar un informe a la revista Nature firmado con el nombre C. H. Payne. Harlow Shapley que para la época era uno de los pocos hombres que reconocía el valor de las mujeres, le llamó la atención a Cecilia por avergonzarse de ser mujer y no firmar con su nombre completo. Esto hizo que ella enviara el artículo firmado ahora sí como Cecilia H. Payne. Shapley siempre tenía consideración con las mujeres que trabajaban con él, Payne no era la excepción, incluso a veces le ayudaba a escribir sus hallazgos y enviarlos a las instituciones científicas. Todas sus trabajadoras llamaban a Shapley estimablemente como DD, Dear Director o Querido Director en español.

Al poco tiempo de enrolarse en el estudio de la estructura atómica y los espectros de las estrellas Payne encontró algo interesante. Usando las teorías de ionización de Megnad Saha descubrió que había algunos elementos que abundaban más que otros en las estrellas. Vamos a explicar esto con un poco más de profundidad.

Meghnad Saha fue un científico indio que desarrolló la ecuación de ionización. Para poder continuar explicando en qué consiste esta ecuación vamos a recordar primero la estructura de la materia. Todo está formado por átomos, que tienen un núcleo positivo rodeado por electrones negativos. Según la mecánica cuántica, los electrones solo pueden ocupar ciertos lugares alrededor del núcleo llamado niveles de energía.

Al pasar de un nivel alto a uno más bajo, emiten una partícula de luz llamada fotón cuya energía depende de la diferencia entre niveles y se manifiesta con un color específico. Como cada elemento tiene un núcleo con diferente cantidad de electrones alrededor, cada elemento posee una emisión de color especifico denominado espectro. Con esto en mente, ahora pasemos a la ionización, la cual es un proceso por el cual los átomos pierden sus electrones debido al aumento de temperatura y presión. La ecuación de Saha predice la cantidad de átomos que no han perdido sus electrones o que han perdido uno, dos o más a causa de esta ionización.

En Harvard los científicos utilizaban un prisma para poder observar los espectros de luz de las estrellas e identificaban con las señales en los colores característicos de qué elementos estaban compuestos las estrellas. Esto era una práctica habitual para los científicos de ese entonces y encontraban los mismos elementos químicos en dichas estrellas que en la Tierra. De aquí que todos pensaran, bajo esos fundamentos, que el Sol y las otras estrellas tenían los mismos materiales que nuestro planeta. Cecilia Payne quiso ir un poco más allá de estos análisis y no solo quería saber qué elementos químicos tienen las estrellas si no su proporción en ellas.

Así es que, utilizando sus conocimientos en estructura atómica, la ecuación de Saha y todas las placas de espectros que había en el lugar donde trabajaba, descubrió que el Hidrógeno y el Helio predominaban en las estrellas. Pero esta abundancia no era algo desestimable, sino que eran miles y millones de veces más que otros elementos. Esto contradecía todos los conocimientos que se tenía en los círculos científicos y ansiosa para que este estudio sea aprobado como su tesis para doctorarse, Cecilia y Shapley enviaron en diciembre de 1924 un borrador de los análisis a la eminencia Henry Norris Russell.

Russell era uno de los más grandes astrónomos de la época y principal defensor de que la Tierra y el Sol tenían en común la misma conformación de materia. Leyó con mucho interés el escrito de Payne y aunque le gustó el estudio de la científica inglesa, concluyó que era imposible que el Hidrógeno sea un millón de veces mayor que otros elementos, persuadiéndola de que tenga cuidado con las conclusiones de su estudio.

Cecilia, aunque había sido minuciosa con sus análisis no quería contradecir a Russell en un campo que era de su dominio. En febrero de 1925 al terminar el escrito titulado Stellar Atmospheres: A Contribution to the Observational Study of High Temperature in the Reversing Layers of Stars, Atmósferas estelares: una contribución para el estudio observacional de las altas temperaturas en las capas inversas de las estrellas en español, lo envió a la revista Proceedings of the National Academy of Sciences. Cecilia añadió en este escrito que sus conclusiones casi con seguridad son irreales y probablemente espurios, o sea falsos.

Poco después de ser enviado a la revista Shapley publicó el estudio de Payne sobre las atmósferas estelares en un libro de tapa dura. Uno de estos libros fue enviado a Russell el cual seguía impresionado por la claridad de la científica y de sus resultados obtenidos, aunque seguía dudando de ellos. Este nuevo campo abierto que hacía una intersección del análisis atómico con la astronomía era novedoso para la época y descubrir que las estrellas no solo difieren en temperatura sino también en composición química era retumbador.

Shapley se mostraba orgulloso con los hallazgos de Payne y llegó a escribir el prólogo de su obra cuando esta fue aceptada como tesis para doctorarse. Siempre optimista, asumía el hecho de que este tema era uno de los primeros pasos de la aplicación del conocimiento atómico en la rama astronómica y que debía ser revisado y ampliado. Ese año Cecilia Payne recibiría el grado de Philosophical Doctor en Astronomía en el Radcliffe College convirtiéndose en la primera persona en doctorarse en astronomía en Radcliffe.

Con aquel logro, Cecilia Payne no solo abrió un camino para la astrofísica moderna, sino también para todas las mujeres en la ciencia. Su tesis marcó el inicio de una nueva forma de entender el cosmos.

Notas

1 Acceso a nuestro artículo Annie Jump Cannon: la belleza en la clasificación estelar.