Cecilia Payne et la découverte que les étoiles sont principalement composées d'hydrogène
En 1925, une étudiante diplômée de 25 ans a prouvé que les étoiles sont presque entièrement faites d'hydrogène. L'expert principal du domaine lui a dit que le résultat était impossible.
En 1925, une étudiante diplômée de 25 ans nommée Cecilia Payne a soumis une thèse de doctorat à l'Observatoire du Harvard College, affirmant quelque chose que presque personne en astronomie ne croyait à l'époque : que le soleil et les étoiles sont presque entièrement composés d'hydrogène et d'hélium, et non du même mélange de fer, de silicium et de roche qui compose la Terre. L'hypothèse dominante parmi les astronomes était que les étoiles étaient essentiellement des versions surchauffées de notre propre planète — des Terres chaudes, chimiquement parlant. L'analyse de la lumière stellaire par Payne disait le contraire, et elle avait raison.
Sa thèse a depuis été qualifiée, par son collègue astronome Otto Struve, de thèse de doctorat la plus brillante jamais écrite en astronomie. À l'époque où elle l'a écrite, l'un des astronomes les plus éminents du pays lui a dit, par écrit, que sa découverte centrale était clairement impossible.
Ce que les chiffres montraient réellement
La thèse de Payne, intitulée Stellar Atmospheres: A Contribution to the Observational Study of High Temperature in the Reversing Layers of Stars (Atmosphères stellaires : une contribution à l'étude observationnelle des hautes températures dans les couches inversées des étoiles), combinait l'étude des spectres stellaires avec une théorie récemment développée décrivant comment les atomes perdent des électrons à des températures extrêmes. Appliquant cette théorie rigoureusement à la lumière stellaire pour la première fois, elle a calculé l'abondance relative de différents éléments dans les atmosphères stellaires et a constaté que l'hydrogène était environ un million de fois plus abondant que les éléments plus lourds comme le fer et le silicium, l'hélium étant environ mille fois plus abondant. En d'autres termes, les étoiles étaient majoritairement composées d'hydrogène et d'hélium, tout le reste n'étant présent qu'en traces.
Pourquoi elle a failli enterrer son propre résultat
Henry Norris Russell, un astronome senior de Princeton qui siégeait au comité de thèse de Payne, a examiné son brouillon et lui a répondu qu'une telle abondance d'hydrogène par rapport aux éléments plus lourds était « clairement impossible », reflétant la confiance de l'époque selon laquelle les étoiles partageaient la composition de la Terre. Sous cette pression, dans la version publiée de sa thèse, Payne a décrit ses propres abondances d'hydrogène et d'hélium comme « presque certainement irréelles » — tout en imprimant les chiffres réels. Les historiens qui ont étudié l'épisode interprètent cette formulation comme un compromis délibéré : se distancier de la conclusion en paroles, tout en s'assurant que les données elles-mêmes étaient enregistrées comme étant les siennes en premier.
Confirmée quatre ans plus tard, moins créditée
En 1929, Russell — le même astronome qui l'avait poussée à adoucir son langage — a publié son propre article parvenant à la même conclusion sur l'abondance de l'hydrogène dans les étoiles, en utilisant une méthode différente, et a cité son travail antérieur avec approbation. Pendant des années, Russell a souvent été celui à qui l'on a attribué le mérite populaire de la découverte, même si Payne avait atteint et publié la découverte en premier. Les mesures modernes ont entièrement confirmé ses chiffres originaux : la composition acceptée des étoiles dans la Voie lactée est d'environ soixante-quatorze pour cent d'hydrogène et vingt-quatre pour cent d'hélium, tous les autres éléments combinés représentant environ deux pour cent. Elle est ensuite devenue la première femme à diriger un département à Harvard.
Raconté comme une histoire illustrée
Questions fréquentes
Qu'a découvert Cecilia Payne ?
Dans sa thèse de doctorat de 1925, Payne a montré que les étoiles, y compris le soleil, sont presque entièrement composées d'hydrogène et d'hélium — l'hydrogène étant environ un million de fois plus abondant, et l'hélium environ mille fois plus abondant, que les éléments plus lourds. Cela a renversé l'hypothèse dominante selon laquelle les étoiles avaient à peu près la même composition chimique que la Terre.
Cecilia Payne a-t-elle été créditée pour avoir découvert que les étoiles sont faites d'hydrogène ?
Seulement partiellement, et seulement avec le temps. Un astronome senior de son comité de thèse, Henry Norris Russell, a initialement qualifié sa découverte de « clairement impossible » et l'a pressée d'adoucir ses conclusions à l'impression. Lorsque Russell a publié la même conclusion lui-même quatre ans plus tard en utilisant une méthode différente, il a longtemps été plus crédité que Payne, malgré la citation de son travail antérieur.
Comment la thèse de Cecilia Payne-Gaposchkin est-elle considérée aujourd'hui ?
Elle est largement considérée comme l'une des œuvres les plus importantes de l'histoire de l'astronomie — l'astronome Otto Struve l'a qualifiée de « thèse de doctorat la plus brillante jamais écrite en astronomie » — et les mesures modernes ont entièrement confirmé ses chiffres originaux d'abondance d'hydrogène et d'hélium.