Năm 2025 đánh dấu một thế kỷ kể từ ngày một trong những luận án tiến sĩ quan trọng và mang tính cách mạng nhất trong lịch sử thiên văn học được công bố. Tác giả của nó, Cecilia Payne (sau này là Payne-Gaposchkin), một nữ khoa học trẻ người Anh đang nghiên cứu tại Đại học Harvard (Mỹ), đã đưa ra một kết luận táo bạo, đi ngược lại hoàn toàn hiểu biết thông thường của giới khoa học thời bấy giờ: các ngôi sao không hề có cấu tạo giống như Trái Đất, mà thành phần chủ yếu của chúng là hai nguyên tố nhẹ nhất trong vũ trụ – hydro và heli.
Những điểm chính
- Năm 1925 (cách đây 100 năm), Cecilia Payne-Gaposchkin trong luận án tiến sĩ tại Harvard đã đưa ra kết luận mang tính cách mạng: các ngôi sao chủ yếu được cấu tạo từ hydro và heli.
- Khám phá này dựa trên việc phân tích quang phổ sao và áp dụng lý thuyết vật lý nguyên tử, đi ngược lại hoàn toàn quan niệm phổ biến thời bấy giờ rằng sao có thành phần giống Trái Đất.
- Ban đầu, kết quả của bà bị nhà thiên văn hàng đầu Henry Norris Russell hoài nghi mạnh mẽ và bà phải giảm nhẹ kết luận trong luận án. Russell sau đó cũng đi đến kết luận tương tự nhưng thường được ghi nhận công lao nhiều hơn ban đầu.
- Vượt qua sự hoài nghi và rào cản giới tính, Payne-Gaposchkin kiên trì nghiên cứu tại Harvard, trở thành nữ giáo sư và trưởng khoa đầu tiên của trường (1956) và nhận Giải thưởng Henry Norris Russell (1979).
- Khám phá của bà về thành phần sao là nền tảng cốt lõi cho vật lý thiên văn hiện đại, ảnh hưởng đến hiểu biết về sự hình thành vũ trụ, tiến hóa sao và cả việc tìm kiếm sự sống ngoài Trái Đất.
Khám phá này, dù ban đầu vấp phải sự hoài nghi và thậm chí bị chính những người hướng dẫn yêu cầu giảm nhẹ trong luận án, cuối cùng đã được chứng minh là hoàn toàn chính xác. Nó không chỉ thay đổi căn bản hiểu biết của chúng ta về bản chất các vì sao mà còn đặt nền móng vững chắc cho toàn bộ lĩnh vực vật lý thiên văn hiện đại, từ nghiên cứu sự hình thành và tiến hóa của sao, thiên hà đến việc tìm kiếm các hành tinh có thể tồn tại sự sống ngoài Hệ Mặt Trời.
Từ bỏ thực vật học đến giải mã ánh sáng sao
Sinh năm 1900 tại Anh, Cecilia Payne ban đầu theo học thực vật học, hóa học và vật lý tại Đại học Cambridge. Tuy nhiên, bài giảng của nhà thiên văn học nổi tiếng Arthur Eddington về chuyến đi quan sát nhật thực toàn phần năm 1919 đã khơi dậy niềm đam mê mãnh liệt của bà đối với vũ trụ. Nhận thấy cơ hội nghề nghiệp cho phụ nữ trong ngành thiên văn ở Anh thời đó rất hạn chế (chủ yếu chỉ có thể làm giáo viên), bà quyết tâm tìm đường sang Mỹ, cụ thể là Đài quan sát Đại học Harvard, nơi được biết đến với việc thuê phụ nữ làm “máy tính người” để phân loại và phân tích dữ liệu quang phổ sao.
Dưới sự hướng dẫn của Giám đốc đài quan sát Harlow Shapley, Payne có cơ hội tiếp cận kho dữ liệu quang phổ sao khổng lồ của Harvard và vận dụng kiến thức vật lý nguyên tử còn khá mới mẻ thời bấy giờ để giải mã chúng. Khác với phần lớn nhà thiên văn cùng thời chỉ tập trung lập bản đồ vị trí sao, Payne đặt câu hỏi về bản chất vật lý của chúng.
Bà đã thực hiện một công việc cực kỳ tỉ mỉ và công phu (trong thời đại chưa có máy tính): đo lường cường độ của hàng nghìn vạch hấp thụ trong quang phổ của nhiều ngôi sao khác nhau. Những vạch này hoạt động như “dấu vân tay” hóa học, cho biết các nguyên tố có mặt trong lớp khí quyển của ngôi sao. Bằng cách áp dụng các lý thuyết vật lý về sự tương tác giữa ánh sáng và vật chất, bà đã tính toán được tỷ lệ tương đối của các nguyên tố hóa học tạo nên các vì sao.
Kết quả bà thu được mang tính đột phá: Hydro và Heli chiếm tỷ lệ áp đảo tuyệt đối, vượt xa tất cả các nguyên tố nặng khác như silicon hay kim loại. Hydro thậm chí có thể nhiều gấp cả triệu lần các nguyên tố đó.
Sự hoài nghi và công nhận muộn màng
Tuy nhiên, khi trình bày kết quả này trong bản thảo luận án tiến sĩ năm 1925, Payne đã vấp phải sự hoài nghi lớn từ Henry Norris Russell, một nhà thiên văn học hàng đầu tại Đại học Princeton và là người có ảnh hưởng lớn tại Harvard. Russell cho rằng kết quả về sự thống trị của hydro và heli là “rõ ràng là không thể” (“clearly impossible”), bởi niềm tin phổ biến lúc bấy giờ là các ngôi sao phải có thành phần tương tự Trái Đất.
Dưới áp lực từ Russell, Payne đã buộc phải giảm nhẹ kết luận của mình trong phiên bản luận án được công bố. Bà viết rằng sự dồi dào của hydro và heli là “cao đến mức không tưởng” và “gần như chắc chắn không có thật”, dù các tính toán của bà chỉ ra điều ngược lại.
Chỉ bốn năm sau, vào năm 1929, chính Russell, bằng các phương pháp khác, cũng đi đến kết luận tương tự về sự phổ biến của hydro trong Mặt Trời và các ngôi sao. Dù có trích dẫn công trình của Payne, nhưng với uy tín lớn hơn, Russell thường được ghi nhận công lao nhiều hơn cho khám phá này trong nhiều thập kỷ sau đó.
Bất chấp những trở ngại ban đầu và rào cản giới tính (phụ nữ bị hạn chế nhiều quyền lợi, kể cả việc sử dụng kính viễn vọng lớn), Cecilia Payne vẫn kiên trì theo đuổi sự nghiệp nghiên cứu tại Harvard. Bà kết hôn với nhà thiên văn Sergei Gaposchkin và tiếp tục có những đóng góp quan trọng. Năm 1956, bà làm nên lịch sử khi trở thành nữ giáo sư chính thức đầu tiên và cũng là nữ trưởng khoa đầu tiên tại Khoa Thiên văn học của Đại học Harvard.
Sự công nhận dành cho đóng góp tiên phong của bà ngày càng lớn dần theo thời gian. Năm 1979, bà được trao Giải thưởng Henry Norris Russell – giải thưởng danh giá nhất của Hội Thiên văn học Hoa Kỳ, mang tên chính người từng hoài nghi kết quả của bà.
Di sản trường tồn
Ngày nay, Cecilia Payne-Gaposchkin được tôn vinh như một trong những nhà vật lý thiên văn vĩ đại nhất thế kỷ 20. Khám phá của bà về thành phần sao là nền tảng cho mọi hiểu biết hiện đại về vũ trụ, từ quá trình hình thành các nguyên tố sau Vụ nổ Big Bang, vòng đời của các ngôi sao, đến cấu trúc và sự tiến hóa của các thiên hà. Ngay cả trong lĩnh vực tìm kiếm ngoại hành tinh và sự sống ngoài Trái Đất, các nhà khoa học như Natalie Hinkel vẫn thường xuyên trích dẫn và xây dựng dựa trên công trình nền tảng của bà về mối quan hệ giữa thành phần hóa học của sao mẹ và các hành tinh quay quanh.
100 năm sau luận án đột phá, câu chuyện của Cecilia Payne-Gaposchkin không chỉ là về một khám phá khoa học vĩ đại mà còn là bài học về sự kiên trì, lòng dũng cảm đối mặt với định kiến và sức mạnh của việc theo đuổi sự thật khoa học.
