Phát hiện của bà phá vỡ các chuẩn mực khoa học thời đó và vấp phải sự hoài nghi từ những nhà thiên văn nổi tiếng. Nhưng ngày nay, giới khoa học biết rằng Payne-Gaposchkin đã đúng. Hydro và heli cũng tạo nên phần lớn vật chất thông thường trong vũ trụ. Luận án tiến sĩ năm 1925 của bà đã mở đường cho nghiên cứu hiện đại về sao và thiên hà, thậm chí giúp tìm kiếm những hành tinh phù hợp với sự sống và sự sống ngoài hệ Mặt Trời.
Cecelia Payne-Gaposchkin tại Đài quan sát Đại học Harvard. Ảnh: Viện Smithsonian/Adam Cuerden
Sinh năm 1900 tại Wendover, Anh, Payne-Gaposchkin bộc lộ sự quan tâm sâu sắc đến khoa học từ khi còn nhỏ. Ban đầu, bà tập trung vào ngành thực vật học, hóa học và vật lý tại Đại học Cambridge, nhưng sau đó bị thiên văn học cuốn hút khi nghe nhà thiên văn người Anh Arthur Eddington nói về hành trình quan sát nhật thực toàn phần năm 1919.
Là phụ nữ, triển vọng nghề nghiệp của Payne-Gaposchkin ở Anh chỉ giới hạn ở công việc giảng dạy. Bà nhận thấy cơ hội trở thành nhà thiên văn sẽ rộng mở hơn ở Mỹ, nhất là nếu vào được Đại học Harvard, nơi phụ nữ được thuê để phân tích dữ liệu thiên văn.
Trong một bài giảng của Harlow Shapley, giám đốc Đài quan sát Đại học Harvard, Payne-Gaposchkin được truyền cảm hứng và liên hệ để bày tỏ mong muốn làm việc dưới sự hướng dẫn của ông. Sau đó, bà giành được học bổng và vượt đại dương để đến Mỹ.
Đa số nhà thiên văn học đầu thế kỷ 20 chỉ tập trung vào lập bản đồ vị trí các ngôi sao thay vì nghiên cứu bản chất của chúng. Rất ít người được đào tạo và định hướng để áp dụng lý thuyết về vật lý nguyên tử vào nghiên cứu sao. Tuy nhiên, Payne-Gaposchkin có sự kết hợp hiếm hoi giữa kiến thức và khả năng truy cập vào kho dữ liệu thiên văn khổng lồ của Harvard.
Phổ là những mẫu vạch đóng vai trò như "dấu vân tay" của các nguyên tử và phân tử. Máy quang phổ của kính viễn vọng sẽ phân tán ánh sáng và tạo ra các mẫu này. Khi phân tích chúng, các nhà khoa học có thể phân tích cách lớp khí bên ngoài của một ngôi sao hấp thụ ánh sáng, từ đó xác định thành phần, nhiệt độ và áp suất.
Payne-Gaposchkin đo cường độ các vạch quang phổ từ nhiều ngôi sao khác nhau. Sau đó, bà sử dụng phương pháp tương đối mới để xác định mức độ dồi dào của từng nguyên tố dựa trên quang phổ của một loại khí - một việc đòi hỏi nhiều công sức trước khi máy tính ra đời.
Cuối cùng, Payne-Gaposchkin đưa ra những kết quả mang tính đột phá: Hydro là thành phần chính trong các ngôi sao, tiếp theo là heli, sau đó là những nguyên tố khác. Hydro thậm chí có vẻ dồi dào gấp một triệu lần so với silicon và các kim loại như nhôm.
Các ngôi sao trong dải Ngân Hà tỏa sáng trên bầu trời đêm Chile. Công trình của Payne-Gaposchkin cho thấy sao chủ yếu cấu tạo từ hydro và heli. Ảnh: ESO/Y. Beletsky
Tuy nhiên, nghiên cứu của bà vấp phải sự hoài nghi lớn. Nhà thiên văn Henry Norris Russell tại Đại học Princeton, cố vấn của Shapley, đọc bản thảo luận án của Payne-Gaposchkin và cho rằng kết quả của bà "rõ ràng là không thể". Thời điểm đó, nhiều nhà thiên văn tin rằng các ngôi sao sẽ có thành phần tương tự Trái Đất. Do đó, quan điểm cho rằng hydro và heli chiếm ưu thế hoàn toàn khác biệt.
Payne-Gaposchkin nghiêm túc tiếp thu sự chỉ dẫn và phê bình của Russell. Bà đã giảm nhẹ kết luận của mình trong phiên bản nghiên cứu được công bố dưới dạng luận án. Bà viết rằng sự dồi dào của hydro và heli là "cao đến mức không tưởng" và "gần như chắc chắn không có thật".
Năm 1929, chỉ vài năm sau luận án của Payne-Gaposchkin, Russell công bố nghiên cứu của chính mình, sử dụng phương pháp khác nhưng cũng đi đến kết luận tương tự: hydro và heli chiếm đa số trong những ngôi sao. Dù đã trích dẫn công trình của Payne-Gaposchkin, Russell vẫn có uy tín lớn hơn trong ngành và được công nhận rộng rãi hơn cho phát hiện mới. Đến những năm 1960, nghiên cứu của Russell được trích dẫn nhiều gấp ba lần nghiên cứu của Payne-Gaposchkin.
Dù gặp phải một số trở ngại ngay từ khi bắt đầu sự nghiệp, Payne-Gaposchkin vẫn tiếp tục ở lại Harvard để nghiên cứu. Năm 1956, bà trở thành nữ giáo sư và trưởng khoa đầu tiên tại Harvard. Sự thành công này là kết quả của quá trình kiên trì cống hiến, vì phụ nữ thời đó đối mặt với nhiều rào cản, bao gồm việc bị hạn chế khi sử dụng kính viễn vọng để quan sát.
Đóng góp của bà cho ngành vật lý thiên văn ngày càng được công nhận trong những thập kỷ sau đó. Năm 1979, chỉ ba năm trước khi qua đời, bà nhận một giải thưởng danh giá được đặt tên theo chính người từng nghi ngờ nghiên cứu của bà: Henry Norris Russell.
Ngày nay, Payne-Gaposchkin được tôn vinh như một nhà khoa học tiên phong trong vật lý thiên văn. Công trình của bà về thành phần của những ngôi sao mở đường cho nhiều khám phá tiếp theo như sự hình thành các nguyên tố trong vũ trụ sau vụ nổ Big Bang. Nhiều nhà vật lý thiên văn hiện đại như Natalie Hinkel, người nghiên cứu mối quan hệ giữa các ngôi sao và hành tinh quay quanh chúng, trích dẫn công trình của Payne-Gaposchkin trong nghiên cứu về ngoại hành tinh và điều kiện cần thiết cho sự sống ngoài hệ Mặt Trời.
Thu Thảo (Theo Smithsonian)