Con người đã quan sát các vì sao từ hàng thiên niên kỷ, kể từ khi tổ tiên chúng ta ngước nhìn lên bầu trời. Xuyên suốt lịch sử, những dải sáng lấp lánh trên nền trời đen huyền bí đã đóng vai trò như la bàn và lịch, kể những câu chuyện về thần thánh, và truyền cảm hứng cho các nhà thơ và nghệ sĩ.Nhưng phải đến thế kỷ 20, với sự xuất hiện của Cecilia Payne, chúng ta mới thực sự hiểu được bản chất của những thiên thể bí ẩn này. Ở tuổi 24, khi chỉ là nghiên cứu sinh tại Đại học Radcliffe (nay là một phần của Đại học Harvard), bà đã chứng minh rằng các ngôi sao không giống Trái đất của chúng ta, mà là những quả cầu rực sáng chủ yếu gồm hydro và heli nóng bỏng, hai nguyên tố nhẹ nhất và đơn giản nhất trong vũ trụ.

Cecilia Payne-Gaposchkin (1900-1979) là nhà thiên văn học nữ vĩ đại nhất trong lịch sử ngành thiên văn học

Cecilia Payne là ai?

Cecilia Payne sinh ngày 10/5/1900, tại thị trấn Wendover của Anh. Theo cuốn tự truyện của mình, khi còn ở tuổi thiếu niên, bà đã học khoa học và âm nhạc trước khi giành được học bổng để theo học tại Đại học Newnham thuộc Đại học Cambridge vào năm 1919.

Ban đầu Payne học thực vật học nhưng đã chuyển sang vật lý trong năm đầu tiên. Bà đã học về vật lý nguyên tử từ Ernest Rutherford, người đã phát hiện ra rằng mọi nguyên tử đều có một lõi mang điện tích dương gọi là hạt nhân, và Niels Bohr, người đã nghiên cứu cách các electron hoạt động xung quanh hạt nhân dương đó.

Cuối năm đó, Payne tình cờ tham dự một bài giảng tại Đại học Trinity của Arthur Eddington, nơi ông công bố kết quả chuyến thám hiểm của mình trong nhật thực toàn phần năm 1919. Ông đã chụp được hình ảnh vị trí của các ngôi sao, dường như bị dịch chuyển, do Mặt trời kéo ánh sáng sao của chúng, làm thay đổi đường đi của ánh sáng. Trong bài giảng đó, Eddington đã xác nhận thuyết tương đối rộng hoàn toàn mới của Albert Einstein, và điều này đã khơi dậy tình yêu với thiên văn học trong cô gái trẻ Payne.

Nhận thấy cơ hội phát triển sự nghiệp khoa học cho phụ nữ ở Anh còn hạn chế, Cecilia Payne quyết định chuyển đến Mỹ vào năm 1923. Bà gia nhập Đài quan sát Đại học Harvard với tư cách là nghiên cứu sinh, nơi bà được tiếp cận với kho dữ liệu quang phổ sao đồ sộ của đài quan sát.

Luận án tiến sĩ "thông minh nhất trong lịch sử thiên văn học"

Khi Payne gia nhập đài quan sát, tất cả các nhà thiên văn học và sinh viên đều là nam giới. Khoảng 10 đến 20 phụ nữ cũng làm việc tại đài quan sát, nhưng họ là những “máy tính” — một thuật ngữ dùng để chỉ những trợ lý phòng thí nghiệm thực hiện các phép tính. Trong trường hợp này, những người phụ nữ tìm kiếm các mẫu trong ánh sáng các vì sao và ghi lại những thay đổi đối với các ngôi sao có thể nhìn thấy. Payne, với tư cách là một nghiên cứu sinh, có một vai trò khác với những người phụ nữ khác.

Một nhóm phụ nữ đang xử lý dữ liệu thiên văn tại Đài quan sát Đại học Harvard vào tháng 5 năm 1925, bao gồm Annie Jump Cannon (thứ năm từ trái sang) và Cecilia Payne-Gaposchkin (thứ năm từ phải sang, đang ngồi ở bảng dự thảo). Ảnh: Lưu trữ Đại học Harvard

Người cố vấn Harlow Shapley ban đầu thúc giục Payne tiếp tục công việc của một “máy tính”, Henrietta Swan Leavitt, người đã nhận ra rằng sự biến thiên ánh sáng của một số ngôi sao có thể được sử dụng để đo khoảng cách. Nhưng Payne không quan tâm đến dự án của Leavitt, thay vào đó, bà ấy muốn tập trung vào hàng thập kỷ các tấm quang phổ hầu như chưa được động đến.

Payne đã kết hợp những hiểu biết lúc bấy giờ về vật lý nguyên tử với một “ý tưởng tuyệt vời” từ nhà vật lý người Ấn Độ Meghnad Saha, bà viết trong cuốn tự truyện của mình. Saha vừa xác định cách khí hoạt động ở các nhiệt độ và mật độ khác nhau, và đặc biệt là cách các electron bên trong di chuyển trong môi trường khắc nghiệt.

Dựa trên nhiệt độ và áp suất cao của các ngôi sao, Payne đã tính toán cường độ của các vạch quang phổ ánh sáng sao trong các tấm kính của Harvard. “Các vạch khác nhau luôn có một mối quan hệ cường độ nhất định với nhau,” Frebel nói. Từ đó, Payne có thể tính toán sự phong phú của các nguyên tố trong các ngôi sao.

Cecilia Payne ngày trẻ

Năm 1925, ở tuổi 25, Cecilia Payne đã bảo vệ thành công luận án tiến sĩ của mình tại Đại học Radcliffe (nay là một phần của Đại học Harvard). Luận án này, dựa trên phân tích tỉ mỉ các vạch quang phổ của ánh sáng sao, đã đưa ra một kết luận gây chấn động giới khoa học lúc bấy giờ: Các ngôi sao, bao gồm cả Mặt Trời, được cấu tạo chủ yếu từ hydro và heli.

Phát hiện này đi ngược lại với quan niệm phổ biến thời đó rằng các ngôi sao có thành phần tương tự Trái Đất. Chính vì vậy, luận án của Payne đã vấp phải sự phản đối kịch liệt, đặc biệt là từ nhà thiên văn học Henry Norris Russell. Ông đã thuyết phục bà không công bố phát hiện này và sau đó tự mình xuất bản nó dưới tên mình vào năm 1930. Nghiên cứu dài 200 trang của bà bị lờ đi và bị cướp công.

Tuy nhiên, thời gian đã chứng minh sự đúng đắn của Cecilia Payne. Otto Struve, một nhà thiên văn học người Mỹ, đã ca ngợi luận án của bà là "luận án tiến sĩ thông minh nhất trong lịch sử thiên văn học".  Phát hiện của bà đã đặt nền móng cho vật lý thiên văn sao hiện đại, giúp chúng ta hiểu rõ hơn về vòng đời, sự tiến hóa và cái chết của các vì sao.

Ngày nay, luận án tốt nghiệp của Payne vẫn là một tác phẩm kinh điển trên kệ sách của các nhà vật lý thiên văn, với hơn 200 trang đã ngả vàng vì thời gian và sử dụng. “Đó là sự chú ý đến từng chi tiết,” Meridith Joyce, nhà vật lý thiên văn của Đại học Wyoming, nhận xét về luận án của Payne. “Nó chính xác, và nó thực sự dũng cảm.”

Một sự nghiệp bị lu mờ bởi định kiến giới tính

Mặc dù có những đóng góp to lớn cho khoa học, sự nghiệp của Cecilia Payne-Gaposchkin lại bị kìm hãm bởi định kiến giới tính. Bà đã nhiều lần bị ngăn cản công bố các phát hiện quan trọng của mình.

Trong suốt nhiều năm, Cecilia Payne đã làm việc tại Đại học Harvard với mức lương ít ỏi và không được công nhận chính thức.  Bà giảng dạy mà không được liệt kê tên trong danh mục khóa học, hướng dẫn nghiên cứu sinh mà không có chức danh.

Mãi đến năm 1938, bà mới được trao danh hiệu "Nhà thiên văn học". Năm 1956, bà trở thành nữ giáo sư đầu tiên của Harvard và là người phụ nữ đầu tiên đứng đầu khoa Thiên văn học của trường.

Cecilia Payne-Gaposchkin tại bàn làm việc của cô ở Đài quan sát Đại học Harvard. Ảnh: Lưu trữ của Viện Smithsonian

Bất chấp những khó khăn và sự bất công, Cecilia Payne-Gaposchkin vẫn kiên trì theo đuổi đam mê khoa học của mình. Bà đã để lại một di sản đồ sộ với những công trình nghiên cứu quan trọng về sao biến quang, cấu trúc của ngân hà và nhiều lĩnh vực khác của thiên văn học.

Năm 2002, Jeremy Knowles, cựu trưởng khoa Khoa học và Nghệ thuật của Đại học Harvard, đã từng nói về bà: "Kể từ khi qua đời vào năm 1979, người phụ nữ phát hiện ra cấu tạo của vũ trụ này đã không được ghi nhận nhiều, ngay cả là một tấm bia tưởng niệm. Cáo phó cũng không đề cập đến phát hiện vĩ đại nhất của bà…"

“Học sinh phổ thông nào cũng đều biết rằng Newton phát hiện ra trọng lực, Darwin phát hiện thuyết tiến hoá, Einstein phát hiện ra thuyết tương đối. Nhưng khi nói đến thành phần của vũ trụ, sách giáo khoa chỉ đơn giản viết rằng thành phần chủ yếu của vũ trụ là hydro. Và không ai từng tự hỏi làm sao mà chúng ta biết được điều đó” - cựu trưởng khoa Khoa học và Nghệ thuật của Đại học Harvard chia sẻ.

Ngày nay, Cecilia Payne-Gaposchkin được vinh danh là một trong những nhà thiên văn học vĩ đại nhất mọi thời đại. Hơn hết, câu chuyện của Cecilia Payne là nguồn cảm hứng cho các thế hệ nhà khoa học nữ, đặc biệt là trong lĩnh vực STEM. Bà là minh chứng cho sức mạnh của trí tuệ, sự kiên trì và lòng đam mê khoa học, vượt lên trên mọi rào cản của định kiến xã hội.