ซีซิเลีย เพย์น: ดาวฤกษ์ทำจากไฮโดรเจน

ในต้นคริสต์ศตวรรษที่ 20 นักดาราศาสตร์รู้แล้วว่าเส้นมืดในสเปกตรัมของดวงอาทิตย์และดาวฤกษ์บอกได้ว่ามีธาตุอะไรอยู่ เพราะแต่ละธาตุดูดกลืนแสงที่ความยาวคลื่นเฉพาะตัว สเปกตรัมของดวงอาทิตย์มีเส้นของเหล็ก แคลเซียม โซเดียม และธาตุอื่น ๆ จำนวนมาก ข้อสรุปที่ทุกคนยอมรับในเวลานั้นคือ ดวงอาทิตย์มีองค์ประกอบคล้ายเปลือกโลก มีธาตุหนักเป็นส่วนใหญ่ ถ้าเอาเปลือกโลกไปทำให้ร้อนจัด ก็น่าจะได้ดวงอาทิตย์

นักศึกษาจากเคมบริดจ์

ซีซิเลีย เพย์น เกิดในอังกฤษ หลงใหลดาราศาสตร์หลังได้ฟังการบรรยายของอาร์เทอร์ เอดดิงตัน เรื่องการสังเกตสุริยุปราคาปี ค.ศ. 1919 เธอเรียนจบที่มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ แต่ในยุคนั้นมหาวิทยาลัยไม่มอบปริญญาให้ผู้หญิง และแทบไม่มีอนาคตทางวิชาการสำหรับผู้หญิงในอังกฤษ เธอจึงย้ายไปทำปริญญาเอกที่หอดูดาวฮาร์วาร์ด สหรัฐอเมริกา ซึ่งมีแผ่นภาพสเปกตรัมของดาวนับแสนแผ่น

ความเข้มของเส้นไม่ได้บอกปริมาณตรง ๆ

ในปี ค.ศ. 1920 นักฟิสิกส์ชาวอินเดีย เมฆนาด สาหะ เพิ่งเสนอสมการที่บอกว่าที่อุณหภูมิต่างกัน อะตอมจะแตกตัวเป็นไอออนในสัดส่วนต่างกัน และอิเล็กตรอนจะอยู่ในระดับพลังงานต่างกัน เพย์นนำแนวคิดนี้มาใช้อย่างเป็นระบบกับสเปกตรัมของดาวฤกษ์ทุกชนิด และพบว่าความแตกต่างของสเปกตรัมดาวแต่ละชนิดเกิดจากอุณหภูมิเป็นหลัก ไม่ใช่จากองค์ประกอบ เส้นของธาตุใดเข้มหรือจาง ขึ้นกับว่าที่อุณหภูมินั้นอะตอมอยู่ในสภาพที่ดูดกลืนแสงความยาวคลื่นนั้นได้หรือไม่ ไม่ได้ขึ้นกับว่าธาตุนั้นมีมากหรือน้อย

เมื่อแก้ผลของอุณหภูมิออกแล้ว เธอคำนวณปริมาณธาตุที่แท้จริงได้ และพบว่าธาตุหนักส่วนใหญ่มีสัดส่วนใกล้เคียงกับบนโลก แต่ไฮโดรเจนมีมากกว่าธาตุอื่นราวหนึ่งล้านเท่า และฮีเลียมก็มีมากเป็นอันดับสอง เส้นของไฮโดรเจนดูไม่เข้มมากในดวงอาทิตย์ เพียงเพราะที่อุณหภูมิผิวของดวงอาทิตย์ อะตอมไฮโดรเจนส่วนน้อยเท่านั้นที่อยู่ในสภาพพร้อมดูดกลืนแสงที่ตามองเห็น

ข้อสรุปที่ถูกบอกให้ถอย

ผลนี้ขัดกับความเชื่อของทุกคนในเวลานั้น เฮนรี นอร์ริส รัสเซลล์ นักดาราศาสตร์ที่มีอิทธิพลที่สุดของสหรัฐอเมริกาซึ่งเป็นผู้ตรวจวิทยานิพนธ์ บอกว่าเป็นไปไม่ได้อย่างชัดเจน เพย์นจึงจำใจเขียนในวิทยานิพนธ์ปี ค.ศ. 1925 ว่าปริมาณไฮโดรเจนที่สูงมาก "เกือบแน่นอนว่าไม่ใช่ของจริง" แต่ในปี ค.ศ. 1929 รัสเซลล์เองได้ผลแบบเดียวกันด้วยวิธีที่ต่างออกไป และยอมรับว่าดาวฤกษ์ประกอบด้วยไฮโดรเจนเป็นหลัก แม้ในช่วงแรกเครดิตมักตกไปที่เขา

ปัจจุบันเรารู้ว่าไฮโดรเจนคิดเป็นราว 74% และฮีเลียมราว 24% ของมวลสสารธรรมดาในเอกภพ ธาตุอื่นทั้งหมดรวมกันเพียงราว 2% ข้อเท็จจริงนี้เป็นรากฐานของทุกเรื่องที่ตามมา ทั้งการเข้าใจว่าดาวฤกษ์ผลิตพลังงานจากการหลอมไฮโดรเจน และการทำนายสัดส่วนธาตุจากบิกแบง

ผู้บุกเบิก

นักดาราศาสตร์อ็อตโต สตรูเว ยกย่องวิทยานิพนธ์ของเพย์นว่าเป็น "วิทยานิพนธ์ปริญญาเอกด้านดาราศาสตร์ที่ยอดเยี่ยมที่สุดเท่าที่เคยเขียนมา" เธอทำงานที่ฮาร์วาร์ดต่อมาอีกหลายสิบปีในตำแหน่งที่ได้ค่าตอบแทนต่ำกว่าความสามารถ จนในปี ค.ศ. 1956 เธอได้เป็นศาสตราจารย์ผู้หญิงคนแรกของฮาร์วาร์ดที่ได้ตำแหน่งจากคณะโดยตรง และเป็นหัวหน้าภาควิชาผู้หญิงคนแรกของมหาวิทยาลัย