Вы когда-нибудь задумывались, из чего состоят звёзды? Мы не можем сесть на космический корабль, прилететь к ним и взять образец с их поверхности, чтобы принести в лабораторию для анализа, как это сделал бы геолог или биолог. Во-первых, люди пока не могут путешествовать к другим звёздам. А если бы это было возможно, всё равно было бы не лучшей идеей приближаться к поверхности звезды: их температура превышает тысячу градусов.
Так откуда же мы знаем, из чего состоят звёзды? Мы знаем это благодаря работе Сесилии Пейдж-Гапошкиной.
В этом году, в 2025-м, исполняется 100 лет со дня публикации докторской диссертации Сесилии Пейдж. В своей революционной работе она проанализировала свет более чем 100 звёзд и впервые измерила их состав. Она обнаружила, что они в основном состоят из водорода и гелия. Это противоречило тому, что считалось в то время, поскольку тогда было принято, что звёзды состоят из тех же элементов, что и Земля, таких как кремний и железо, и в тех же пропорциях.
Её результаты сначала были отвергнуты научным сообществом. Только позже независимые исследования подтвердили её новаторские результаты, которые проложили путь для астрофизики, какой мы её знаем сегодня.
Детство и образование Сесилии Пейдж
Сесилия родилась в Англии в 1900 году. Изучая физику и химию в Кембриджском университете, она посетила лекцию известного астронома Артура Эддингтона. Эта лекция очаровала её, и с тех пор она знала, что астрофизика — это её призвание.
Она закончила учёбу, но не получила диплома, поскольку в то время Кембридж не присуждал степеней женщинам. Несмотря на это, она переехала в Соединённые Штаты в 1923 году, чтобы проводить исследования в Гарварде под руководством Харлоу Шепли.
Изучение спектров звёзд
Сесилия изучала спектры звёзд. Спектр — это то, что вы видите, когда разделяете свет звезды. Например, радуга — это технически спектр Солнца, поскольку капли дождя в небе разделяют его белый свет на составляющие цвета.
Спектр, который мы наблюдаем у звезды, — это свет, который она излучает, который прошёл через её атмосферу, преодолел пустоту космоса и достиг наших телескопов, где он был разделён (как это сделал Пинк Флойд в 1973 году для обложки своего альбома) и зарегистрирован в наших детекторах.
Ключевой этап этого путешествия происходит, когда свет проходит через атмосферу звезды. Их атмосферы, как и атмосфера Земли, состоят из множества атомов. Атом — это крошечная частица, состоящая из ядра протонов и нейтронов, вокруг которого вращаются электроны.
Каждый атом поглощает и повторно излучает очень специфические длины волн, или цвета, света. Это связано с различным количеством протонов, нейтронов и электронов в каждом атоме. Таким образом, у каждого атома есть свой уникальный отпечаток пальца, который мы видим, когда наблюдаем его спектр.
Спектральные линии
Атмосфера звезды будет поглощать определённые цвета света, и комбинированный рисунок поглощения, который мы наблюдаем, будет отличаться в зависимости от того, какие типы атомов присутствуют. Эти особенности поглощения называются спектральными линиями, поскольку они выглядят как тёмные линии в непрерывном спектре звезды.
Сопоставляя шаблоны спектральных линий, производимых отдельными атомами, мы можем узнать, что присутствует в атмосфере звезды по её спектру. В этом смысле спектр представляет собой уникальную головоломку, и астрономам предстоит её решить.
В атмосфере звезды температура и давление играют огромную роль в определении закономерностей линий, которые мы видим. Когда температура достаточно высока, атомы могут терять электроны. Это называется ионизацией. Отпечаток пальца ионизированного атома выглядит совершенно иначе, чем у его нейтральной формы.
Концепция ионизации была ключевой идеей, рассмотренной в диссертации Сесилии. Её работа была революционной, поскольку она использовала недавно разработанные идеи Саха (1920), Фаулера и Милна (1923 и 1924) для того, чтобы показать, как условия в атмосфере звезды влияют на закономерности поглощения, которые мы наблюдаем в её спектре.
Расчёты Сесилии Пейдж
Сесилия проанализировала спектры более чем 100 звёзд, изучая более 100 спектральных линий в каждой. Из спектров Сесилия могла определить температуру, давление и состояние ионизации в атмосфере звезды, а на основе этого — определить содержание элементов. Она использовала этот метод для расчёта содержания элементов в атмосфере Солнца.
Спектр Солнца показан на рисунке 3. Это изображение было нарисовано вручную великим физиком Йозефом фон Фраунгофером более 100 лет назад, до того как Сесилия провела своё новаторское исследование.
Гистограмма на рисунке 4 показывает результаты Сесилии по определению содержания различных атомов в атмосфере Солнца. Её выводы показывают, что Солнце состоит в основном из водорода и гелия: этих атомов примерно в миллион раз больше, чем, скажем, атомов кремния и железа.
С другой стороны, такие атомы, как кремний, кислород и железо, являются доминирующими в земной коре. Осознание того, что состав звёзд отличается от состава планет, открыло новую область астрофизики и изменило наше представление о Вселенной.
Это открытие имело свою цену. Результаты Сесилии противоречили общепринятым представлениям того времени, согласно которым считалось, что звёзды состоят из тех же элементов и в тех же пропорциях, что и Земля. Её результаты были отвергнуты многими, в том числе великим астрономом Генри Норрисом Расселом. Даже Сесилия считала себя обязанной заявить, что её результаты «почти наверняка ненастоящие».
Однако мало кто из научного сообщества понимал, что она была права. Независимые исследования, проведённые после её диссертации, подтвердили её результаты. Впервые она связала атомные отпечатки пальцев, наблюдаемые в звёздных спектрах, с содержанием элементов. Это заложило основы современной звёздной спектроскопии.
Сегодня, используя гораздо более совершенные инструменты, мы можем определить не только то, из чего состоят звёзды, но и то, как быстро они вращаются, насколько они горячие на своей поверхности, а также есть ли у них скрытые спутники, вращающиеся вокруг них.
Спектроскопия используется астрономами в обсерватории Армага каждый день. Источниками спектров, которые мы анализируем, являются самые массивные звёзды во Вселенной, кометы в нашей Солнечной системе и весьма своеобразные популяции звёзд, поскольку мы стремимся построить полную картину звёзд и Вселенной. Всё это было бы невозможно без работы Сесилии Пейдж.
Её история — пример для всех, кто хочет сделать карьеру в астрофизике: с настойчивостью, упорным трудом и позитивным отношением возможно всё.