La composizione delle stelle secondo Cecilia Payne

Nel 1925 Cecilia Payne dimostrò che le stelle sono composte quasi interamente da idrogeno ed elio, una scoperta che rivoluzionò l’astrofisica moderna e cambiò per sempre il nostro modo di guardare l’Universo

di Anita Grezio

Nel 1925 una giovane ricercatrice di appena venticinque anni, Cecilia Payne, rivoluzionò l’astrofisica con una scoperta destinata a cambiare per sempre la nostra comprensione dell’Universo. Dimostrò che le stelle non sono composte principalmente da elementi pesanti come ferro o silicio (simili a quelli della crosta terrestre), ma sono sfere incandescenti formate quasi interamente da idrogeno ed elio, i due elementi più leggeri e abbondanti del cosmo.

Oggi questa conoscenza è uno dei fondamenti dell’astrofisica, ma all’epoca sembrava una conclusione impossibile.

Leggere la luce delle stelle

Come si può capire di cosa è fatta una stella distante milioni o miliardi di chilometri?

La risposta è nella spettroscopia, una tecnica nata nel XIX secolo con i prismi di Kirchhoff e Bunsen, che permette di scomporre la luce stellare in un arcobaleno di colori, rivelando linee di assorbimento corrispondenti agli elementi chimici.

Gli astronomi conoscevano già questa tecnica e da anni raccoglievano migliaia di spettri stellari. Da quelle righe cercavano di capire di cosa fossero fatte le stelle. Il problema, però, non era osservare la luce delle stelle, ma interpretare correttamente ciò che raccontava. 

Da Cambridge a Harvard

Cecilia Payne nacque il 10 maggio 1900 a Wendover, nel Buckinghamshire, in Inghilterra. Grazie a una borsa di studio entrò nel 1919 al Newnham College dell’Università di Cambridge. Iniziò studiando botanica e chimica, ma ben presto fu conquistata dalla fisica.

Un momento fondamentale per la sua formazione fu la conferenza di Arthur Eddington al Trinity College, che descriveva i risultati della spedizione per l’eclissi solare del 1919, confermando la teoria della relatività generale di Einstein. Ne rimase folgorata.

Nonostante avesse completato gli studi, Cambridge non conferiva ancora lauree alle donne e le prospettive accademiche nel Regno Unito erano molto limitate. Quando Harlow Shapley, direttore dell’Harvard College Observatory, le offrì una borsa di studio, accettò di trasferirsi negli Stati Uniti.

Ad Harvard trovò un ambiente fortemente maschile: le donne lavoravano soprattutto come “computer umani”, incaricate di eseguire calcoli e classificare dati. Payne fu tra le prime a utilizzare quel patrimonio di osservazioni per svolgere una ricerca originale.

L’intuizione che cambiò l’astrofisica

Arrivata a Harvard nel 1923, Payne iniziò ad analizzare le lastre spettroscopiche accumulate negli anni: decine di migliaia di fotografie che catturavano la “firma” luminosa delle stelle.

Applicando la fisica quantistica e la teoria di Meghnad Saha sulla ionizzazione dei gas in condizioni estreme di temperatura e pressione, Payne dimostrò invece che l’aspetto di quelle righe dipendeva soprattutto dalla temperatura superficiale delle stelle e non dalla loro composizione chimica. Questo le permise anche di dare una spiegazione fisica alle classi spettrali definite alcuni anni prima da Annie Jump Cannon, mostrando che le loro differenze dipendevano soprattutto dalla temperatura delle stelle. Fu un cambio di prospettiva radicale.

Il risultato fu sorprendente. Calcolando le abbondanze degli elementi, Payne arrivò alla conclusione che idrogeno ed elio costituivano la stragrande maggioranza della massa stellare, mentre gli elementi più pesanti rappresentavano meno del 2%.

Una scoperta troppo avanti per il suo tempo

Nel 1925 raccolse questi risultati nella tesi di dottorato Stellar Atmospheres, che le valse il primo dottorato in astronomia conferito da Harvard a una donna.

Ma lo scetticismo fu immediato. Henry Norris Russell, una delle maggiori autorità dell’epoca, giudicò quella conclusione “chiaramente impossibile” e la convinse ad aggiungere nella tesi una nota in cui affermava che l’elevata abbondanza di idrogeno ed elio fosse “quasi certamente non reale”.

Solo pochi anni dopo, nel 1929, lo stesso Russell arrivò alle medesime conclusioni e le pubblicò, citando Payne solo marginalmente. Fu una negazione dolorosa, ma lei non si arrese.

Quella intuizione cambiò profondamente l’astrofisica, sfidando le certezze consolidate della comunità scientifica. L’astrofisico Otto Struve avrebbe poi definito Stellar Atmospheres “la tesi di dottorato più brillante mai scritta in astronomia”.

Una carriera costruita con determinazione

Nonostante l’importanza della sua scoperta, Payne continuò come assistente di Shapley, sottopagata e senza un titolo ufficiale fino al 1938, quando ottenne finalmente il ruolo di Astronomo. Solo nel 1956 divenne professoressa ordinaria e prima donna a dirigere il Dipartimento di Astronomia di Harvard.

Nel frattempo studiò stelle variabili, la Via Lattea e, insieme al marito Sergei Gaposchkin, pubblicò importanti lavori sull’evoluzione stellare. Il suo contributo fu determinante per la nascita dell’astrofisica stellare moderna, rendendo possibile comprendere la struttura, l’evoluzione e il funzionamento delle stelle.

Una scoperta che continua a illuminare l’Universo

Oggi sapere che le stelle sono composte quasi interamente da idrogeno ed elio è una conoscenza fondamentale dell’astrofisica. Da quella scoperta derivano gran parte dei modelli che descrivono come le stelle nascono, producono energia ed evolvono nel corso della loro esistenza.

Nel corso della carriera Cecilia Payne-Gaposchkin ricevette numerosi riconoscimenti, tra cui il Premio Annie Jump Cannon (1934), la medaglia Rittenhouse (1961) e il Premio Henry Norris Russell (1976), intitolato proprio allo scienziato che inizialmente aveva contestato le sue conclusioni.

Nella sua autobiografia, The Dyer’s Hand, lasciò un consiglio alle giovani che desideravano intraprendere una carriera scientifica:

«Intraprendete la scienza solo se null’altro vi soddisfa; la ricompensa è l’orizzonte che si amplia»

Più dei numerosi riconoscimenti ricevuti nel corso della carriera, resta il valore della sua intuizione: avere dimostrato, quando quasi nessuno era disposto a crederle, di cosa sono fatte le stelle.