Cecilia Payne-Gaposchkin: la tesi del 1925 che scoprì di cosa sono fatte le stelle

Nel gennaio 1925 una giovane inglese di venticinque anni difese a Harvard una tesi di dottorato che, secondo l'astronomo Otto Struve, sarebbe stata in seguito definita "la più brillante tesi di PhD mai scritta in astronomia". La candidata si chiamava Cecilia Helena Payne, e la tesi proponeva una conclusione semplice e radicale: il Sole e tutte le altre stelle non sono fatte come la Terra. Sono composti quasi interamente di idrogeno ed elio, per il 99% della loro massa. Gli elementi più pesanti (carbonio, ossigeno, ferro), che fino ad allora si credevano abbondanti come sul nostro pianeta, costituiscono solo lo 0,1% della materia stellare.

Era una bomba. Tre anni prima il fisico indiano Meghnad Saha aveva pubblicato l'equazione che lega la presenza di righe di assorbimento di un elemento, in uno spettro stellare, alla temperatura della stella stessa. Cecilia applicò l'equazione di Saha a centinaia di lastre fotografiche dell'Harvard College Observatory, riducendo i conti su una calcolatrice meccanica per mesi. Quando il calcolo le restituì che l'idrogeno era circa un milione di volte più abbondante di silicio o ferro, capì che la sua scoperta avrebbe spaccato l'astrofisica.

Una formazione contro corrente

Cecilia nacque a Wendover, in Buckinghamshire, il 10 maggio 1900. Il padre, avvocato e musicista, morì quando lei aveva quattro anni. Adolescente, ottenne una borsa al Newnham College di Cambridge, l'unico collegio dell'università britannica aperto alle donne. Studiò botanica, chimica, fisica. Ne uscì nel 1923 dopo aver completato tutti gli esami: Cambridge, allora, non concedeva la laurea alle studentesse. Pur avendo passato tutto, Cecilia non poté né diplomarsi né essere ufficialmente "laureata".

L'incontro decisivo avvenne in un'aula. Nel 1919 Cecilia assistette a una conferenza di Arthur Eddington sulla spedizione che aveva confermato la teoria della relatività generale di Einstein osservando un'eclissi solare. "La mia immagine del mondo cambiò del tutto in pochi minuti," scriverà nelle memorie. Decise di dedicarsi all'astronomia. Poiché in Gran Bretagna le donne non potevano sperare in carriere accademiche, si trasferì negli Stati Uniti su invito di Harlow Shapley, direttore dell'Harvard College Observatory, che le offrì una borsa per il dottorato.

Il muro di Russell

Nel 1925 Cecilia inviò la bozza della tesi al più celebre astrofisico americano dell'epoca, Henry Norris Russell, principe della Princeton University e arbitro indiscusso del campo. Russell rispose in poche settimane: la conclusione sull'idrogeno era "clearly impossible", chiaramente impossibile. Cecilia, in quella fase del proprio dottorato, non poteva permettersi un conflitto frontale. Aggiunse alla tesi una nota in cui scriveva che "l'abbondanza enorme dedotta per idrogeno ed elio è quasi certamente non reale". La frase è ancora lì, nella versione pubblicata da Harvard nel 1925.

Quattro anni dopo, nel 1929, lo stesso Henry Norris Russell pubblicò un articolo in cui — analizzando i dati con un metodo diverso — arrivava alla conclusione che il Sole è composto principalmente da idrogeno. Citò Payne en passant, in una nota a piè di pagina. Per i decenni successivi, in molti manuali di astrofisica, la scoperta sarebbe stata attribuita a Russell.

Trent'anni a Harvard, niente cattedra

Nonostante la genialità della tesi, per quasi trent'anni Cecilia rimase a Harvard come ricercatrice non strutturata, pagata meno di un istruttore maschio e descritta nei budget dell'osservatorio come "equipment". Si occupò di stelle variabili (catalogò 1.250.000 osservazioni con il marito Sergei Gaposchkin), supernovae, popolazioni stellari del bulge galattico. Pubblicò 350 articoli e diversi libri di riferimento, fra cui Stars in the Making (1952) e l'autobiografia The Dyer's Hand, postuma. Nel 1956, alla pensione di Donald Menzel, fu finalmente nominata professore ordinario: la prima donna nella storia di Harvard a essere promossa a quel grado di carriera, e la prima a guidare un intero dipartimento accademico.

Il riconoscimento postumo

Cecilia Payne-Gaposchkin morì a Cambridge, Massachusetts, il 7 dicembre 1979. Negli ultimi anni di vita la storia della scoperta del 1925 cominciò a essere correttamente attribuita, in parte grazie all'autorità di astronomi come Owen Gingerich e Virginia Trimble. Oggi il museo americano AMNH e l'Enciclopedia Britannica riconoscono univocamente a Payne la scoperta della composizione chimica delle stelle. La rivista Physics World nel 2025 ha dedicato un lungo articolo per il centenario della tesi.

Perché conta

La scoperta di Cecilia Payne fu il pilastro su cui si costruì poi tutta l'astrofisica del Novecento: senza sapere che le stelle sono fatte di idrogeno, non si sarebbero potute capire la nucleosintesi nelle reazioni di fusione di Hans Bethe (1939), la teoria del Big Bang, la formazione degli elementi più pesanti nelle supernove (Burbidge, Burbidge, Fowler e Hoyle, 1957). Il Sole brucia idrogeno: ogni secondo, nel suo nucleo, 600 milioni di tonnellate diventano elio, e quattro milioni di tonnellate si trasformano in energia. Tutto questo lo sappiamo perché una ragazza di 25 anni, nel 1925, ha avuto il coraggio di scrivere quello che vedeva nelle proprie lastre fotografiche, e qualche anno dopo l'integrità di non ritrattare per sempre il risultato.