در سال 1925، سیسیلیا پین، دانشجوی 24 ساله فارغ التحصیل، محاسبه کرد که خورشید و ستارگان دیگر عمدتاً از هیدروژن و هلیوم تشکیل شده اند – نتیجه ای که آنقدر با نجوم پذیرفته شده در تضاد بود که ستاره شناس ارشد هنری نوریس راسل آن را “بدیهی غیرممکن” نامید و او را وادار کرد تا در پایان نامه خود بنویسد که “در پایان نامه خود کاملاً غیرممکن است.” چهار سال بعد، راسل با روش دیگری به همین نتیجه رسید و تصدیق کرد که پین ​​اولین کسی بود که به آن رسید.

سیسیلیا پین با یافتن عنصری که قبلاً دیده نشده بود ترکیب ستارگان را کشف نکرد. هر ردی که او نیاز داشت قبلاً به عنوان الگویی از خطوط جذب تیره روی نور ستاره نقش بسته بود. دستاورد او این بود که متوجه شد اخترشناسان این خطوط را اشتباه ترجمه کرده اند.

در سال 1925، در سن 24 سالگی، پین در رصدخانه کالج هاروارد برای دریافت مدرک دکترا توسط رادکلیف کار کرد. محاسبات او نشان می دهد که هیدروژن و هلیوم نه تنها در جو خورشید و سایر ستارگان وجود دارد. آنها بسیار فراوان بودند و عناصر سنگین‌تر شناخته شده روی زمین را به بخش کوچکی از ترکیب کاهش می‌دادند.

هنری نوریس راسل، ستاره شناس بانفوذ پرینستون که به او در مورد پایان نامه مشاوره داد، به او گفت که چنین نتیجه ای “بدیهی است که غیرممکن است”. پین این محاسبه را حفظ کرد اما از معنای آن عقب نشینی کرد. در پایان پایان نامه، او نوشت که مقادیر عظیمی که او برای هیدروژن و هلیوم استنباط کرده است «تقریباً به طور قطع واقعی نیست».

چهار سال بعد، تحلیل خود راسل از تسلط هیدروژن حمایت کرد. او تصدیق کرد که کار پین ابتدا به قلمرو رسیده است. بنابراین، داستان پیچیده‌تر از یک داستان ناب یک تعمیر فوری علمی یا یک داستان ساده از اعتبار دزدیده شده است.

گزارش قبلی ScienceBlog از تز پین توضیح داد که چگونه پس از رد یک ستاره شناس ارشد نتیجه و انتشار همان نتیجه گیری گسترده، اولویت آن تحت الشعاع قرار گرفت. این قطعه همراه به خود محاسبات نزدیک‌تر است: چرا خطوط طیفی ستاره‌شناسان را گمراه می‌کند، چرا پاسخ صحیح در سال 1925 بسیار غیرقابل قبول به نظر می‌رسید، و راسل واقعاً در سال 1929 چه چیزی اضافه کرد.

خط تاریک هر اتم را به حساب نمی آورد

نور خورشید را از یک طیف سنجی عبور دهید و رنگ های آن با خطوط تیره باریکی عبور می کند. اتم‌های لایه‌های بیرونی خورشید، طول موج‌های خاصی را جذب می‌کنند، زیرا الکترون‌های آن‌ها فقط می‌توانند بین حالت‌های انرژی خاصی حرکت کنند. بنابراین هر عنصر مجموعه ای قابل تشخیص از علائم را به جا می گذارد.

در اوایل قرن بیستم، این نشانه ها هیدروژن، آهن، کلسیم، سدیم و بسیاری از عناصر دیگر را در خورشید شناسایی کردند. مرحله دشوار تبدیل تاریکی خط به تخمین قابل اعتماد فراوانی بود.

یک خط جذب قوی لزوماً به معنای فراوان بودن یک عنصر نیست. این بدان معناست که بسیاری از اتم‌هایی که قادر به انجام آن انتقال خاص هستند، نور مربوطه را جذب کرده‌اند. تعداد اتم های توانا ممکن است کسری کوچک و به سرعت در حال تغییر از کل جمعیت عنصر باشد.

دما می تواند الکترون ها را از اتم ها حذف کند و یون هایی با علائم طیفی متفاوت تولید کند. همچنین می تواند الکترون های باقی مانده را بین سطوح انرژی توزیع کند. فشار و چگالی الکترون نیز مهم است. یک عنصر ممکن است فراوان باشد اما یک خط ضعیف شگفت‌انگیز ایجاد کند زیرا تعداد کمی از اتم‌های آن حالت مورد نیاز را اشغال می‌کنند. اگر شرایط به نفع انتقال مشاهده شده باشد، یک عنصر کمیاب‌تر می‌تواند خط قابل توجهی ایجاد کند.

بنابراین، برآوردهای قبلی فراوانی می‌توانست دید را با کمیت اشتباه بگیرد. به نظر می رسد خطوط خورشیدی قوی عناصری که معمولاً در پوسته زمین یافت می شوند، این باور مشترک را تقویت می کنند که خورشید و زمین نسبت های عنصری تقریباً مشابهی دارند.

تصحیح گمشده از فیزیک اتمی می آید

پین ابزار تفسیری جدیدی را به آرشیو وسیع طیف های ستاره ای هاروارد آورد. مگناد ساها، فیزیکدان هندی، نظریه ای را ارائه کرد که یونیزاسیون اتم ها را به دما و فشار مرتبط می کند. رالف فاولر و ادوارد میلن این رویکرد را از طریق مکانیک آماری بازنگری و گسترش دادند و آن را برای اتمسفر ستارگان کاربردی تر کردند.

این فیزیک با دقت به کار گرفته شد، این فیزیک به پین اجازه داد تا تخمین بزند که چند اتم برای یک خط طیفی مشخص نامرئی هستند، زیرا یونیزه شده بودند یا اینکه الکترون های آنها سطح انرژی متفاوتی را اشغال می کردند.

خطوط جذب آشنای Balmer هیدروژن یک مثال مهم را ارائه می دهد. آنها زمانی تولید می شوند که یک الکترون در اولین حالت برانگیخته هیدروژن شروع به کار کند. تاریخچه کار پین انجمن فیزیک آمریکا نشان می دهد که در جو خورشیدی تنها حدود یک اتم هیدروژن در 200 میلیون این حالت را اشغال می کند. اگر چنین کسر کوچکی همچنان بتواند خط محکمی بسازد، کل مخزن هیدروژن باید عظیم باشد.

این تصحیح همچنین توالی هاروارد از کلاس‌های ستاره، O، B، A، F، G، K و M را توضیح می‌دهد. در دمای جوی خود، نسبت مطلوبی از اتم های هیدروژن حالتی را اشغال می کنند که این خطوط را ایجاد می کند. ستارگان داغتر بیشتر هیدروژن را یونیزه می کنند. در ستارگان سردتر، الکترون های بیشتری در حالت پایه باقی می مانند. خط در هر دو طرف ضعیف می شود، حتی با وجود هیدروژن فراوان.

پین نشان داد که طبقه بندی بر اساس ظاهر در درجه اول یک توالی دما است. در زیر تفاوت‌های ظاهری، جوهای ستاره‌ای معمولی می‌توانند دارای مخلوط‌های تقریباً مشابهی باشند.

منطق پیشینه ای داشت. خود هلیم ابتدا از طریق طیف خورشید شناخته شد، نه از طریق یک نمونه زمینی. همانطور که ScienceBlog در تاریخچه خود از کشف هلیوم گزارش کرده است، یک خط خورشید زرد رنگ که در سال 1868 مشاهده شد، 27 سال قبل از جداسازی آزمایشگاهی عنصر بود. مشکل پین متفاوت اما مرتبط بود: نور قبل از اینکه تفسیر پذیرفته شده به آن برسد پاسخ را نگه داشت.

چرا پاسخ صحیح یک محاسبه ناموفق به نظر می رسید

نتیجه مدرن ممکن است اعتراض راسل را پوچ کند. این در ژانویه 1925 پوچ به نظر نمی رسید.

نظریه سها فقط چند سال قدمت داشت. مقادیر آزمایشگاهی برای بسیاری از انتقالات اتمی ناقص بود. فشارها و دماهای ستاره ها به طور ناقصی محدود شده بودند. پین مکرراً هشدار می دهد که برخی از نتایج عددی او فقط باید تا حدی قابل اعتماد باشند.

به نظر می رسید که ترکیب قدیمی نیز کار می کند. ستاره شناسان شباهت تقریبی بین آرایش خطوط قوی در طیف خورشیدی و فراوانی عناصر در پوسته زمین کشف کرده بودند. آرتور ادینگتون مدل های موفقی از ساختار ستاره ای با استفاده از مشخصات عنصری شبیه زمین ساخته بود. این مقدمه به طور همزمان در چندین خط استدلال بافته شد.

مقدار هیدروژن پین اصلاح مختصری را ارائه نمی دهد. در نامه ای در ژانویه 1925، راسل اعتراض کرد که «بدیهی است غیرممکن است» که هیدروژن یک میلیون بار بیشتر از فلزات باشد. در اینجا، طبق معمول در نجوم، “فلزات” به معنای همه عناصر سنگین تر از هلیوم است، نه فقط مواد فلزی مانند آهن.

مطالعه دیوید دوورکین، مورخ اسمیتسونی، درباره اپیزود پین-راسل مفید است، زیرا این بحث را حل نمی کند. راسل دلایل دقیقی برای تردید در روشی ارائه کرد که به نظر می رسید نتیجه ای خارق العاده ایجاد کند. او همچنین به صورت حرفه ای از Payne به روش های دیگر پشتیبانی می کند. با این حال، او می‌دانست که یک ستاره‌شناس ارشد می‌تواند با خیال راحت‌تر از یک دانشجوی فارغ‌التحصیل، یک نتیجه گمانه‌زنی ارائه کند، و به محققان جوان‌تر توصیه کرد که ادعاهایی را که فراتر از قدرت پذیرفته‌شده روش‌هایشان بود، کاهش دهند.

این استاندارد در اثر خود خنثی نبود. پین جایگاه نهادی ضعیف تری داشت و راسل مرجع ارزیابی کار او بود. ناباوری او چیزی را شکل داد که او احساس می کرد می تواند در مورد محاسبات خود بگوید.

پایان نامه هم پس گرفته شد و هم نتیجه حفظ شد

نسخه محبوب این است که پین مجبور شد کشف خود را حذف کند. سند باقی مانده چیزی ظریف تر را نشان می دهد.

میزهای فراوان او باقی ماند. در متن منتشر شده از جو های ستاره ایمقادیر زیاد هیدروژن و هلیوم با این بیانیه همراه می شود که فراوانی عظیم آنها «تقریباً مطمئناً واقعی نیست». در جای دیگر او ارزش های واقعی را جعلی نامید.

این هشدار بدون حذف دنباله دیجیتال اعتماد را رد می کرد. هر کسی که با دقت مطالعه می کرد می توانست متوجه شود که این روش نتیجه متفاوتی نسبت به مخلوط زمین دارد. DeVorkin استدلال می کند که این اولویت پین را حفظ می کند، صرف نظر از اینکه آیا در نهایت پاسخ درست یا غلط است.

در همین صفحات یک مرز علمی مهم وجود دارد. پین می نویسد که اندازه گیری های فراوانی او به اتمسفر ستاره ای اشاره دارد و به خودی خود نمی تواند ترکیب درونی یک ستاره را تعیین کند. نوری که تحلیل می کند از لایه های بیرونی بیرون می آید. رفتن از جو به کل ستاره نیاز به فیزیک و شواهد بیشتری داشت.

این احتیاط ارزش توجه را دارد، اگرچه تحقیقات بعدی از نتیجه گیری گسترده تر حمایت کرده است. پایان نامه حاوی یک نتیجه رادیکال است، اما دقیقاً جایی که اندازه گیری متوقف می شود را نیز ثبت می کند.

راسل در سال 1929 از مسیر دیگری بازگشت

بین سالهای 1925 و 1929 طیف سنجی اتمی به سرعت توسعه یافت. Albrecht Unsold و سایر محققان روش هایی را برای ارتباط شکل و قدرت یک خط جذب با تعداد اتم های کمک کننده در آن بهبود دادند. راسل سپس تجزیه و تحلیل کمی طولانی از جو خورشید انجام داد.

کاغذ او، در مورد ترکیب اتمسفر خورشیدی، ظاهر شد در مجله اخترفیزیک در ژوئیه 1929، راسل برآورد شدت نور خورشید را کالیبره کرد و فراوانی ده ها عنصر را محاسبه کرد. این درمان کمی بیشتر آن را به محتوای بالای هیدروژن و هلیوم بازگرداند.

راسل این یافته را به گونه ای ارائه نکرد که گویی پین هرگز وجود نداشته است. او پایان نامه خود را به عنوان مهم ترین تعیین اخترفیزیکی قبلی در مورد فراوانی عنصر توصیف کرد و گفت که نتایج او به خوبی با او مطابقت دارد، از جمله فراوانی بالای هیدروژن.

این شناخت یک ساده سازی کلی را می بندد. راسل جدول او را کپی نکرد، منبع را پنهان نکرد، یا کل کشف را مال خودش دانست. تحقیقات او در سال 1929 شامل کار مستقل و تأییدی قابل توجهی با روش هایی بود که از زمان پایان نامه او به بلوغ رسیده بودند.

مشکل اعتبار را حل نمی کند. راسل شخصیت ارشدی بود که پین ​​را متقاعد کرده بود که نتیجه درست را باور نکند. زمانی که او بعداً تسلط هیدروژن را تأیید کرد، شهرت او کمک کرد تا نتیجه‌گیری به سمت نجوم پذیرفته شود. نوشته‌های بعدی اغلب به مقاله 1929 استناد می‌کنند و تز قبلی را نادیده می‌گیرند، حتی اگر راسل خود خوانندگان را به آن سوق داد.

از جو خورشیدی تا جهان هیدروژنی

محاسبات پین به لایه‌های خط‌ساز اشاره داشت و مقاله راسل به طور خاص در مورد جو خورشید بود. ادعای مدرن مبنی بر اینکه ستارگان عمدتاً هیدروژن و هلیوم هستند، بر اساس ساختار بسیار وسیع تری است که پس از آن جمع آوری شد.

فیزیک هسته ای توضیح داد که چگونه ستارگان از هیدروژن به عنوان سوخت استفاده می کنند و هلیوم را در هسته خود می سازند. مدل‌های تکامل ستاره‌ای ترکیب را به درخشندگی، حیات و ساختار درونی مرتبط می‌کنند. هلیوزیسم شناسی درون خورشید را از طریق نوسانات آن کاوش می کند. نوترینوهای خورشیدی شواهدی از خود واکنش های همجوشی ارائه می دهند.

تخمین‌های کنونی نشان می‌دهد که سطح مرئی خورشید تقریباً 74 درصد هیدروژن و 24 درصد هلیوم بر حسب جرم است و تمام عناصر سنگین‌تر با هم تنها باقیمانده کوچکی را تشکیل می‌دهند. هسته با تبدیل هیدروژن به هلیوم تغییر کرده است، بنابراین حتی عبارت “ترکیب خورشید” به مکان و دوره مرتبط با آن نیاز دارد.

سلسله مراتب فراوانی نیز به تاریخ ماده تبدیل شده است. هیدروژن عمدتاً در کیهان اولیه تولید می شد. ستاره های بعدی هسته های بسیار سنگین تری را جمع آوری کردند و آنها را از طریق باد و انفجار پراکنده کردند. نتیجه پین ​​کمک کرد تا مشخص شود که مقدار کمی از ماده کیهانی معمولی متعلق به این بخش پردازش شده بعدی است.

عناصری که بیشتر برای ما قابل لمس هستند، عناصری نیستند که بر جهان مسلط هستند. سنگ، فلز و بافت زنده باعث می‌شوند که محیط اطراف ما از نظر شیمیایی نماینده‌ای باشد، زمانی که در مقیاس کیهانی، پسماندهای غیرعادی باشند.

اولویت واضح تر از بازی اخلاقی است

این وسوسه وجود دارد که اپیزود را منظم تر از آنچه رکورد اجازه می دهد، بسازیم. یک نسخه راسل را به یک دزد تبدیل می کند. دیگری این تاخیر چهار ساله را چیزی جز احتیاط علمی سالم تلقی کرد. هیچ کدام حاوی حقیقت کافی نیستند.

اعتراض راسل ناشی از ضعف های واقعی در روش های فراوانی اولیه و چارچوب پذیرفته شده ای است که نتایج مفیدی به بار آورده است. تحلیل بعدی او شواهد مستقلی را اضافه کرد. او از پین نقل قول کرد و توافق نزدیک را تصدیق کرد.

در همان زمان، پین زن جوانی بود که در مؤسساتی کار می کرد که زنان را از جایگاه علمی معمولی محروم می کردند. او نتیجه قاطع را محاسبه کرده بود و قضاوت یک مرد ارشد باعث شد که واقعیت آن را در همان سندی که اولویت او را تعیین می کرد انکار کند. تایید نهایی او بیش از آن چیزی بود که شواهد اولیه او مجاز به حمل بود.

درس علمی این نیست که از هر نتیجه شگفت انگیزی باید در برابر انتقاد دفاع کرد. اکثر نتایج شدید شکست می خورند. درس بهتر این است که شواهد و انتظارات باید جدا از هم باقی بمانند، به خصوص زمانی که فردی که انتظارات را ارائه می کند، قدرت بیشتری نسبت به فردی ارائه می دهد.

میزهای پین از این اخطار جان سالم به در بردند. مقاله راسل در سال 1929 الگوی اساسی فراوانی را تأیید می کند و خوانندگان را به آن اشاره می کند. رکورد به اندازه کافی واضح است: او به نجوم کمک کرد تا نتیجه را بپذیرد، اما ابتدا آن را کشف کرده بود.