En 1925, Cecilia Payne Gaposchkin une doctorante de 24 ans remet sa thèse à l’observatoire de Harvard. Elle vient de passer deux ans à analyser les spectres lumineux de centaines d’étoiles. Sa conclusion est radicale : les étoiles ne sont pas composées comme la Terre. Elles sont faites à 74 % d’hydrogène, à 24 % d’hélium, et à peine 2 % du reste – tous les autres éléments confondus. Cette découverte renverse ce que les astronomes croyaient depuis des décennies.
Son jury de thèse lui a dit qu’elle avait tort. Elle a retiré sa conclusion. Quatre ans plus tard, son directeur a publié la même chose. Il a eu le crédit.
Son directeur de thèse, Henry Norris Russell, l’un des astronomes les plus influents des États-Unis, est assis dans son jury. Il pense qu’elle a tort. Il lui dit qu’elle a tort. Sous la pression de son autorité, elle ajoute une phrase dans sa thèse publiée : « L’abondance énorme dérivée pour l’hydrogène et l’hélium dans l’atmosphère stellaire n’est presque certainement pas réelle. »
En 1929, Russell publie une étude par des méthodes différentes. Il arrive à la même conclusion que Cecilia Payne quatre ans plus tôt. Il la mentionne brièvement. Il reçoit le crédit de la découverte pendant des décennies. Dans son autobiographie, Cecilia Payne-Gaposchkin écrit que ce qu’elle regrette le plus est de ne pas avoir tenu bon quand elle savait qu’elle avait raison.
Wendover, 10 mai 1900
Cecilia Helena Payne naît le 10 mai 1900 à Wendover, dans le Buckinghamshire en Angleterre, aînée de trois enfants. Son père, Edward John Payne, est avocat, historien et musicien. Il meurt quand elle a quatre ans. Sa mère, Emma Pertz, élève seule les trois enfants.
Cecilia est une élève brillante, passionnée de sciences. À huit ans, elle voit tomber un météorite et veut comprendre d’où il vient. En 1910, elle observe la grande comète diurne et la comète de Halley. À douze ans, elle fait ses premiers calculs astronomiques. Sa mère l’inscrit à la St Paul’s School for Girls à Londres, un établissement solide en mathématiques et sciences – chose rare pour une école de filles de l’époque.
En 1919, elle entre à l’Université de Cambridge pour étudier les sciences naturelles. Cambridge admet les femmes dans les cours mais ne leur délivre pas encore de diplômes équivalents aux hommes. Elle étudie la botanique, la physique, la chimie. Puis, en deuxième année, elle assiste à une conférence de Sir Arthur Eddington sur son expédition scientifique de 1919 qui avait confirmé la théorie de la relativité générale d’Einstein lors d’une éclipse solaire. Elle rentre chez elle, note de mémoire toute la conférence mot pour mot, et décide de devenir astronome.
Eddington l’encourage. Il lui dit aussi que pour une femme, les perspectives en astronomie sont bien meilleures aux États-Unis qu’en Grande-Bretagne. En 1923, elle rencontre Harlow Shapley, le directeur du Harvard College Observatory, en visite en Angleterre. Il lui propose une bourse de recherche. Elle fait ses bagages et traverse l’Atlantique.
Harvard, 1923
Quand Cecilia Payne Gaposchkin arrive à Cambridge, Massachusetts, en 1923, l’observatoire de Harvard est l’un des centres de recherche astronomique les plus importants du monde. Il abrite une collection de plus d’un demi-million de plaques photographiques du ciel. Et il emploie un groupe de femmes astronomes que son prédécesseur Pickering avait recrutées pour classifier les étoiles : les Harvard Computers, parmi lesquelles Annie Jump Cannon, dont les classifications spectrales font encore référence aujourd’hui.
Harvard ne délivre pas de doctorats aux femmes. Cecilia Payne est inscrite au nom du Radcliffe College, l’annexe féminine de Harvard. Shapley, impressionné par son niveau, l’encourage à dépasser le master et à écrire une thèse de doctorat. Elle est la deuxième étudiante à bénéficier d’une bourse créée pour attirer des femmes dans le programme.
Son sujet : les atmosphères stellaires. Sa question : de quoi sont faites les étoiles, et pourquoi leurs spectres lumineux sont-ils si différents ? Elle dispose d’un atout décisif. À Cambridge, elle a eu accès aux travaux du physicien indien Meghnad Saha, qui venait de publier en 1920 une équation reliant les états d’ionisation des atomes à la température. Cette équation permet de connecter les raies d’absorption observées dans un spectre stellaire à la température de l’étoile, et d’en déduire la composition chimique. Presque personne à Harvard ne connaît encore ce travail. Cecilia Payne est l’une des rares astronomes à pouvoir l’appliquer.
La thèse, 1925 : de quoi sont faites les étoiles
De 1924 à 1925, elle analyse les spectres de centaines d’étoiles des différentes classes de la classification de Cannon, applique les équations de Saha, et détermine les abondances relatives de chaque élément chimique dans les atmosphères stellaires. Les résultats sont nets.
D’abord : les différences de couleur et d’aspect entre les étoiles s’expliquent par leurs différences de température, pas par des différences de composition chimique. Toutes les étoiles ont fondamentalement la même composition. C’est une révision profonde de la classification stellaire, et cette conclusion-là est bien accueillie.
Ensuite : cette composition commune est dominée à une écrasante majorité par l’hydrogène, suivi de l’hélium. Les autres éléments – le fer, le calcium, tout ce que l’on trouve sur Terre – ne représentent qu’une fraction infime. La théorie dominante de l’époque supposait que les étoiles et la Terre avaient la même composition. Cecilia Payne démontre que c’est faux.
C’est là que Henry Norris Russell intervient. Russell est l’une des figures majeures de l’astrophysique américaine. Il est membre de son jury. Il estime que la conclusion sur l’hydrogène est aberrante – en contradiction avec tout ce que les astronomes pensaient savoir. Sous la pression de son autorité, Cecilia Payne ajoute dans le texte publié la phrase qui nie ce qu’elle a prouvé : l’abondance de l’hydrogène est « presque certainement pas réelle ».
Sa thèse est publiée en 1925 sous le titre Stellar Atmospheres. Shapley la fait imprimer comme monographie : elle s’écoule à 600 exemplaires, un quasi-best-seller pour une thèse. Des décennies plus tard, l’astronome Otto Struve la qualifiera de « la thèse de doctorat la plus brillante jamais écrite en astronomie, sans conteste. » Cecilia Payne-Gaposchkin devient la première personne à obtenir un doctorat en astronomie au nom de Radcliffe College – Harvard ne délivrant toujours pas ce diplôme aux femmes.
1929 : Russell publie. Elle ne dit rien.
En 1929, Henry Norris Russell arrive à la même conclusion par des méthodes indépendantes : les étoiles sont principalement composées d’hydrogène. Il publie ses résultats, mentionne brièvement les travaux de Payne de 1925, et reçoit le crédit général de la découverte pendant de nombreuses années.
Cecilia Payne ne proteste pas publiquement. En 1977, invitée à écrire une analyse des travaux de Russell pour un symposium en son honneur (Russell est mort en 1957), elle qualifie son article de 1929 d' »épocal » sans mentionner sa propre contribution. Dans son autobiographie, elle écrit ce qu’elle n’avait jamais dit à voix haute : ce qu’elle regrette le plus dans sa vie scientifique, c’est de ne pas avoir tenu bon quand elle savait qu’elle avait raison.
Trente ans d’invisibilité à Harvard
Après son doctorat, Cecilia Payne reste à Harvard. Pendant des années, elle n’a pas de titre officiel, servant d' »assistante technique » à Shapley. Son salaire est bas. Elle envisage à un moment de partir. Shapley fait des efforts pour améliorer sa situation, et en 1938 elle reçoit enfin le titre d' »Astronome ». Les cours qu’elle enseigne à Harvard depuis des années ne sont pas répertoriés dans le catalogue officiel de l’université – ils n’y apparaissent qu’après la Seconde Guerre mondiale.
En 1933, lors d’un voyage en Europe, elle rencontre à Göttingen Sergei Gaposchkin, astronome russe apatride qui ne peut retourner en Union soviétique pour des raisons politiques et n’a plus le droit de rester en Allemagne depuis l’arrivée des nazis au pouvoir. Il était venu spécialement à cette conférence pour la rencontrer. Elle revient aux États-Unis et use de son réseau pour lui obtenir un visa et un poste à Harvard. Ils se marient en 1934. Ils auront trois enfants, dont une fille, Katherine, qui deviendra elle aussi astronome et collaborera avec sa mère.
Ensemble, les Gaposchkin accumulent plus de trois millions d’observations d’étoiles variables, constituant l’une des bases de données observationnelles les plus importantes de l’histoire de l’astronomie stellaire. Leurs travaux établissent les fondements de la compréhension de l’évolution stellaire.
Ce n’est qu’en 1956 que Cecilia Payne Gaposchkin est nommée première femme professeur titulaire à la faculté des arts et sciences de Harvard, et simultanément première femme à en diriger un département – celui d’astronomie. Elle avait 56 ans. Elle travaillait à Harvard depuis 33 ans.
Ce que sa découverte a changé
La composition de l’univers que Cecilia Payne a établie en 1925 est celle que nous utilisons encore aujourd’hui : environ 74 % d’hydrogène, 24 % d’hélium, 2 % pour tous les autres éléments. Cette répartition est le point de départ de toute la cosmologie moderne. Elle explique comment les étoiles naissent par la fusion de l’hydrogène, comment elles meurent, comment les éléments lourds – le carbone, l’oxygène, le fer – sont forgés dans les coeurs stellaires et dispersés dans l’univers lors des supernovas.
Elle a aussi établi que la classification spectrale des étoiles reflète leurs températures et non des compositions différentes – un cadre qui structure encore aujourd’hui l’enseignement de l’astrophysique.
Elle meurt le 7 décembre 1979 à Cambridge, Massachusetts, à 79 ans.
Son histoire rejoint celle des autres femmes de cette série : le travail accompli, la reconnaissance différée ou volée, et la continuité malgré tout. Comme Henrietta Swan Leavitt dont la règle pour mesurer l’univers a servi la carrière d’Hubble, comme Rosalind Franklin dont les données ont permis de décrire la structure de l’ADN. Ce que toutes partagent, c’est expliqué dans notre article sur la Journée internationale des droits des femmes : ce n’était pas de la malchance. C’était un système.