अंतरिक्ष विज्ञान

हार्वर्ड की एक अनोखी हस्ती ने तारों के बारे में हमारी अवधारणा को हमेशा के लिए कैसे बदल दिया

एलिस कट्स

खगोल विज्ञान सबसे प्राचीन विज्ञान है, और आकाश हमारी आरंभिक प्रयोगशालाओं में से एक है। लिखित शब्दों से बहुत पहले, लोग ग्रीष्म संक्रांति की पहली भोर की किरणों को पत्थरों पर वृत्ताकार रूप देते थे, हड्डियों पर चंद्र कैलेंडर उकेरते थे और ग्रहों को अपनी पौराणिक कथाओं में पिरोते थे। अंततः, हमने आकाश को मापना सीख लिया, और 16वीं शताब्दी में कोपरनिकन क्रांति ने उसमें हमारी दुनिया का स्थान फिर से लिख दिया। लेकिन उन सभी लंबी सहस्राब्दियों में जब से वैज्ञानिक आकाश को निहार रहे थे, एक महिला ही थी जिसने तारों को सही मायने में जानने वाली पहली महिला बनी।

सेसिलिया पायने-गैपोस्किन सिर्फ़ 25 साल की थीं जब उन्होंने पता लगाया कि तारे किससे बने होते हैं: हाइड्रोजन, हीलियम और लगभग हर दूसरे तत्व का एक छोटा सा अंश। 1925 में उनकी यह खोज क्वांटम भौतिकी के नवजात क्षेत्र को तारों के आब्जर्वेशन को लागू करने के शुरुआती सफल प्रयासों में से एक थी, और यह तुरंत विवादास्पद हो गई। उस समय, खगोलविदों का मानना था कि तारे मूलतः गर्म पृथ्वी ही हैं – लोहे, सिलिकॉन और अन्य भारी तत्वों के गरमागरम गोले जिनसे हमारी चट्टानी दुनिया बनी है। एक युवा महिला खगोलशास्त्री, पायने-गैपोस्किन, अपने वरिष्ठ सहयोगियों से कह रही थीं कि वे तारों के बारे में जो कुछ भी जानते थे उसे त्याग दें और ब्रह्मांड को नए सिरे से लिखें।

इसमें थोड़ा वक़्त लगा, लेकिन आख़िरकार उन्होंने ऐसा कर दिखाया।

हार्वर्ड विश्वविद्यालय के खगोलशास्त्री डेविड चारबोन्यू कहते हैं, “आप इसके प्रभाव को बढ़ा-चढ़ाकर नहीं बता सकते।” तारों के मूल तत्वों का खुलासा करके, पेन- गैपोस्किन ने यह समझने का मार्ग प्रशस्त किया कि तारे कैसे बनते और विकसित होते हैं, रासायनिक तत्व कहाँ से आते हैं और यहाँ तक कि ब्रह्मांड की शुरुआत कैसे हुई। “इसने ब्रह्मांड की हमारी तस्वीर में क्रांति ला दी है।”

क्वांटम क्रांति के बीच

पेन-गैपोस्किन का जन्म 1900 में इंग्लैंड में हुआ था, वही साल जब मैक्स प्लैंक ने गर्म वस्तुओं द्वारा प्रकाश उत्सर्जन पर अपने काम के ज़रिए क्वांटम दुनिया की पहली झलक देखी थी। ग्रेगर मेंडल के पहले से अस्पष्ट वंशागति के नियमों की फिर से खोज हो चुकी थी और एक नया क्षेत्र, आनुवंशिकी, आकार लेने लगा था।

स्वच्छता और चिकित्सा के क्षेत्र में हुई अभूतपूर्व प्रगति के कारण, बाल मृत्यु दर में अभूतपूर्व गिरावट आई: 1900 और 1950 के बीच ब्रिटेन में यह 23 प्रतिशत से घटकर केवल 3.7 प्रतिशत रह गई। और वैज्ञानिकों ने अंततः खुद को यह विश्वास दिला लिया कि ब्रह्मांड परमाणुओं से बना है – एक ऐसी बात जिस पर पेन- गैपोस्किन के जन्म तक सम्मानजनक रूप से विवाद हो सकता था।

उसे ज़रूर लगा होगा कि प्रकृति जिज्ञासु मन से कुछ भी नहीं छिपा सकती। पेन- गैपोस्किन ने अपनी 1979 की आत्मकथा “द डायर्स हैंड” में याद करते हुए लिखा है, “बहुत कम उम्र में ही मैंने शोध करने का मन बना लिया था, और यह सोचकर घबरा गई थी कि शायद मेरे शुरू करने लायक उम्र से पहले ही सब कुछ पता चल जाएगा!”

बेशक, घबराने की कोई ज़रूरत नहीं थी। जब पेन- गैपोस्किन 1919 में कैम्ब्रिज विश्वविद्यालय पहुँचीं, तब भौतिक विज्ञानी अभी भी परमाणुओं की मूल संरचना और व्यवहार, खासकर प्रकाश के साथ उनकी अंतःक्रिया, को समझने की कोशिश कर रहे थे।

सदियों पहले, वैज्ञानिकों ने यह समझ लिया था कि प्रिज़्म से होकर गुज़रने वाला प्रकाश एक इंद्रधनुष में बदल जाता है, जिसे आइज़ैक न्यूटन ने “स्पेक्ट्रम” कहा था। 1800 के दशक की शुरुआत में, अंग्रेज़ वैज्ञानिक विलियम हाइड वोलास्टन ने सूर्य के प्रकाश को एक स्पेक्ट्रम में फैलाने के लिए एक प्रिज़्म का इस्तेमाल किया था। इससे एक खाली इंद्रधनुष बना, जिसके बीच में रहस्यमयी खाली रेखाएँ थीं, जिन पर पहले किसी का ध्यान नहीं गया था।

1800 के दशक के मध्य में, जर्मन वैज्ञानिक रॉबर्ट बन्सन और गुस्ताव किरचॉफ ने महसूस किया कि ये रेखाएं, जो न केवल तारों के स्पेक्ट्रम में दिखाई देती हैं, बल्कि प्रकाश देने वाली किसी भी चीज के स्पेक्ट्रम में दिखाई देती हैं, विशिष्ट रासायनिक तत्वों के वर्णक्रमीय फिंगरप्रिंट हैं।

स्पेक्ट्रा में ये अंतराल परमाणुओं की क्वांटम प्रकृति के कारण उत्पन्न होते हैं। एक परमाणु में, ऋणावेशित इलेक्ट्रॉन नाभिक के चारों ओर अंतरिक्ष के उन क्षेत्रों में रहते हैं जिन्हें कक्षक कहते हैं। विभिन्न कक्षकों में इलेक्ट्रॉनों की ऊर्जाएँ “क्वांटाइज्ड” होती हैं, जिसका अर्थ है कि उनके केवल विशिष्ट, असतत मान हो सकते हैं, जैसे सीढ़ी के पायदान। एक पायदान ऊपर जाने के लिए, इलेक्ट्रॉनों को एक फोटॉन, या प्रकाश के एक क्वांटम पैकेट को, बिल्कुल सही मात्रा में ऊर्जा के साथ, अवशोषित करना होगा। वे केवल एक पायदान से दूसरे पायदान तक ही चढ़ सकते हैं — और कभी भी पायदानों के बीच के अंतराल में नहीं।

प्रकाश की तरंगदैर्घ्य उसकी ऊर्जा के अनुरूप होती है; लाल प्रकाश बैंगनी प्रकाश की तुलना में कम ऊर्जावान होता है। और विभिन्न रासायनिक तत्वों में इलेक्ट्रॉनों के ऊर्जा स्तर अलग-अलग होते हैं—उनके कक्षीय ऊर्जा सोपानों के “सीढ़ियाँ” अलग-अलग ऊँचाई पर स्थित होते हैं। इसलिए, विभिन्न तत्व अलग-अलग तरंगदैर्घ्य के फोटॉन अवशोषित करते हैं। इससे वैज्ञानिक एक प्रकार के रासायनिक बारकोड की तरह वर्णक्रमीय अंतरालों को पढ़ सकते हैं।

जब पेन-गैपोस्किन कैम्ब्रिज पहुँचीं, तो परमाणु भौतिकी का अध्ययन करने के लिए शायद दुनिया में इससे बेहतर कोई जगह नहीं थी। कैवेंडिश प्रयोगशाला में, जो एक अग्रणी प्रायोगिक भौतिकी प्रयोगशाला थी, पेन-गैपोस्किन ने इलेक्ट्रॉन की खोज करने वाले जे.जे. थॉमसन और परमाणु भौतिकी के अग्रदूत अर्नेस्ट रदरफोर्ड जैसे दिग्गजों से शिक्षा प्राप्त की। जब नील्स बोहर हाइड्रोजन परमाणु के बारे में अपनी नई क्वांटम समझ साझा करने के लिए प्रयोगशाला आए, जिसमें इलेक्ट्रॉन नाभिक के चारों ओर असतत कक्षाओं में घूमते रहते हैं, तो उन्होंने दिखाया कि इस योजना का उपयोग हाइड्रोजन की वर्णक्रमीय रेखाओं की भविष्यवाणी करने के लिए किया जा सकता है। पेन-गैपोस्किन उस क्वांटम क्रांति के लिए पूरी तरह तैयार थीं जिसका उन्होंने प्रचार किया था। कुछ ही वर्षों बाद, वह क्रांति सितारों तक पहुँचने का उनका मार्ग प्रशस्त करेगी।

परमाणु जगत का तारों से मिलन

हालाँकि, सबसे पहले उसे नौकरी की ज़रूरत थी। 1920 के दशक में प्रतिभाशाली युवा अंग्रेज़ महिलाओं के लिए, आमतौर पर एक ही पेशेवर रास्ता होता था, और वह स्कूल की ओर जाता था। लेकिन एक महासागर दूर, एक और कैम्ब्रिज में, मैसाचुसेट्स की हार्वर्ड वेधशाला में उसके लिए जगह थी। वहाँ दशकों से महिलाओं को “खगोलीय कंप्यूटर” के रूप में नियुक्त किया जाता रहा था। हार्वर्ड में महिला खगोलविदों के लिए एक फ़ेलोशिप के सहयोग से, पेन-गैपोस्किन को वेधशाला में एक साल के लिए शोध करने का मौका मिला। वह साल दो साल में बदल गया, और फिर जीवन भर में। लेकिन पेन-गैपोस्किन को इस बात का अंदाज़ा नहीं रहा होगा जब वह 1923 में संयुक्त राज्य अमेरिका में एक नया जीवन शुरू करने के लिए जहाज़ पर सवार हुईं।

नीदरलैंड के लीडेन विश्वविद्यालय में खगोल रसायनज्ञ, फ्रांसिएले क्रुचकिविज़ के लिए, पेन-गैपोस्किन की कहानी का यह हिस्सा दिल को छू जाता है। वह कहती हैं, “मुझे सेसिलिया से जुड़ाव महसूस हुआ। मैं ब्राज़ील छोड़कर यूरोप चली गई, जहाँ मैं अपने सपनों को भी साकार कर सकती थी।” पेन-गैपोस्किन को अपना आदर्श मानकर उन्हें अकेलापन कम महसूस हुआ।

1880 के दशक की शुरुआत में, हार्वर्ड वेधशाला ने काँच की प्लेटों के रूप में खगोलीय आँकड़ों का एक विशाल संग्रह तैयार किया। इन सपाट सतहों पर प्रकाश-संवेदी रसायन लगाए गए और इनका उपयोग आकाश के चित्र लेने के लिए किया गया। लेकिन पेन-गैपोस्किन के लिए इससे भी ज़्यादा दिलचस्प बात यह थी कि इनका उपयोग तारकीय स्पेक्ट्रा एकत्र करने के लिए भी किया जाता था।

पेन-गैपोस्किन के हार्वर्ड पहुँचने से दशकों पहले, महिला कंप्यूटरों ने उस वर्णक्रमीय डेटा का बहुत ध्यानपूर्वक विश्लेषण किया था। एक कंप्यूटर, एनी जंप कैनन ने तो तारों को उनकी वर्णक्रमीय विशेषताओं के आधार पर वर्गों में बाँटने की एक प्रणाली भी विकसित की थी, जिसका उपयोग आज भी किया जाता है। खगोलविदों का मानना था कि ये वर्ग अलग-अलग संरचनाओं वाले तारों के अनुरूप होते हैं। लेकिन एक और संभावना थी जिसका परीक्षण करने के लिए पेन-गैपोस्किन, परमाणु भौतिकी में अपने प्रशिक्षण और हार्वर्ड की काँच की प्लेटों तक पहुँच के साथ, एक अनोखी स्थिति में थीं।

उच्च तापमान पर, परमाणु आयनित हो जाते हैं; उनके इलेक्ट्रॉन इतनी ऊर्जा अवशोषित कर लेते हैं कि नाभिक की पकड़ से मुक्त होकर तेज़ी से निकल जाते हैं। आयन अन्य परमाणुओं का रूप धारण कर लेते हैं और आवर्त सारणी के आसन्न तत्वों की तरह वर्णक्रमीय रेखाएँ बनाते हैं। खगोलविदों के लिए यह एक समस्या है क्योंकि तारे बहुत गर्म होते हैं। यानी वे आयनों से भरे होते हैं।

1920 के दशक के आरंभ तक वैज्ञानिकों को यह पता नहीं चल पाया था कि तारकीय स्पेक्ट्रा का विश्लेषण करते समय इस तथ्य को कैसे ध्यान में रखा जाए।

जब पेन-गैपोस्किन कैवेंडिश लैब में भौतिकी सीख रही थीं, तब आधी दुनिया दूर भारत में मेघनाद साहा नामक एक खगोलभौतिकीविद् ने एक गैस के तापमान और दाब को उन परमाणुओं के अंश से जोड़ने वाला एक सूत्र तैयार किया, जिन्होंने इलेक्ट्रॉन खो दिए थे और आयन बन गए थे। यह तारकीय स्पेक्ट्रम में अंतराल के गुणों को तारों की वास्तविक भौतिक स्थितियों और संरचनाओं से जोड़ने की कुंजी थी। साहा के सूत्र को खगोलभौतिकीविद् एडवर्ड आर्थर मिल्ने और गणितज्ञ राल्फ फाउलर, दोनों ने कैम्ब्रिज विश्वविद्यालय में सुधार किया था। लेकिन न तो साहा, न मिल्ने और न ही फाउलर ने तारों के वास्तविक आब्जर्वेशन्स में आयनीकरण समीकरणों को लागू किया था। पेन-गैपोस्किन के हार्वर्ड के लिए रवाना होने से कुछ समय पहले, मिल्ने ने उनसे कहा था।

फोटो कैप्शन – 1925 में, हार्वर्ड विश्वविद्यालय में महिलाएँ “खगोलीय कंप्यूटर” के रूप में काम करती थीं, तारों की छवियों वाली काँच की फोटोग्राफिक प्लेटों का अध्ययन करती थीं। सेसिलिया पेन-गैपोश्किन ड्राफ्टिंग टेबल पर बैठी हैं।

हार्वर्ड प्लेट स्टैक्स/खगोल भौतिकी केंद्र | हार्वर्ड और स्मिथसोनियन

हार्वर्ड में अपने पहले दो व्यस्त वर्षों में, उन्होंने ठीक यही किया। साहा के तापीय आयनीकरण सिद्धांत का उपयोग करते हुए, पेन-गैपोस्किन ने दर्शाया कि कैनन के वर्णक्रमीय वर्ग मुख्यतः तारों के तापमान में अंतर दर्शाते हैं, न कि उनकी संरचना में। लेकिन पेन-गैपोस्किन यहीं समाप्त नहीं हुईं। उन्होंने साहा के समीकरण को उलटकर एक तारे के वर्णक्रम और तापमान को लिया और फिर उसे बनाने वाले तत्वों और आयनों की सापेक्ष प्रचुरता ज्ञात की। 1925 में उनके अब प्रसिद्ध पीएचडी शोध प्रबंध में प्रकाशित उनकी गणनाओं के अनुसार, हाइड्रोजन और हीलियम तारों की संरचना में पूर्ण रूप से प्रभुत्व रखते हैं।

सबसे सरल परमाणु ही ब्रह्माण्ड का आधार थे।

स्थायी विरासत

इस बारे में बहुत कुछ लिखा जा चुका है कि कैसे पेन-गैपोस्किन के काम का विरोध हुआ और कैसे एक अन्य वैज्ञानिक, हेनरी नॉरिस रसेल, को उसी खोज का श्रेय मिला, जबकि कुछ साल बाद वे स्वतंत्र रूप से उन्हीं निष्कर्षों पर पहुँचे थे। क्रुज़किविज़ का कहना है कि उन्हें पेन-गैपोस्किन की खोज के बारे में उनके बारे में जाने बिना ही पता चल गया था – क्रुज़किविज़ ने पहली बार पेन-गैपोस्किन के बारे में एक पाठ्यपुस्तक से नहीं, बल्कि एक टीवी शो से सुना था। इंग्लैंड के नॉटिंघम विश्वविद्यालय में एक खगोल भौतिकीविद् एम्मा चैपमैन भी कहती हैं कि उन्हें पेन-गैपोस्किन के खगोल विज्ञान में योगदान के बारे में तब पता चला जब वे अपनी 2021 की पुस्तक फर्स्ट लाइट के लिए खगोल भौतिकी के इतिहास का पता लगा रही थीं।

लेकिन चारबोन्यू कहते हैं कि पेन-गैपोस्किन को वह पहचान मिलनी शुरू हो गई है जिसकी वह हकदार हैं। आज, तारों की संरचना पर उनके काम को—और बाद में, परिवर्तनशील तारों और आकाशगंगाओं की संरचनाओं पर—आधुनिक खगोल भौतिकी की नींव रखने वाला माना जाता है। क्रुज़किविज़, जो 100 साल पहले पेन-गैपोस्किन द्वारा अपनाई गई विधियों से संबंधित विधियों का उपयोग करके अंतरतारकीय बादलों की संरचना का अध्ययन करते हैं, उनके काम को न केवल खगोल भौतिकी, बल्कि खगोल रसायन विज्ञान की भी आधारशिला मानते हैं।

वह कहती हैं, “मैं कहती हूँ कि वह पहली खगोल-रसायनज्ञों में से एक हैं क्योंकि उन्होंने ही ब्रह्मांड की संरचना का पता लगाया था।” चैपमैन उन शुरुआती तारों का अध्ययन करती हैं, जो बिग बैंग के बाद बचे हाइड्रोजन और हीलियम से मिलकर बने थे। यह खोज पेन-गैपोस्किन की इस समझ का बहुत बड़ा श्रेय है कि ब्रह्मांड प्रकाश तत्वों से भरपूर है।

चैपमैन कहते हैं, “उन्होंने हमें यह समझने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाई कि तारा क्या है और यह हमारे पैरों के नीचे की जमीन से, यानी पृथ्वी ग्रह से किस प्रकार भिन्न है।”

पेन-गैपोस्किन की खोज, ब्रह्मांडीय माइक्रोवेव पृष्ठभूमि — बिग बैंग के बाद की चमक — और पहले बाह्यग्रहों की खोज के साथ-साथ खगोलभौतिकी में एक महत्वपूर्ण मील का पत्थर है, ऐसा चारबोन्यू कहते हैं, जो उस खगोल विज्ञान विभाग के अध्यक्ष हैं जिसे पेन-गैपोस्किन की पीएचडी थीसिस ने प्रभावी रूप से स्थापित किया था। उन अन्य खोजों के पीछे के वैज्ञानिकों को नोबेल पुरस्कार मिले। पेन-गैपोस्किन को नहीं। यह सोचना असंभव नहीं है कि अगर वह पुरुष होतीं तो शायद चीजें अलग होतीं।

पेन-गैपोस्किन अंततः हार्वर्ड में पूर्ण प्रोफ़ेसर और खगोल विज्ञान विभाग की अध्यक्ष बनने वाली पहली महिला थीं। जैसा कि उन्होंने बाद में कहा: “अंततः सत्य की ही जीत होगी। बकवास अपने ही भार से, गुरुत्वाकर्षण के एक प्रकार के बौद्धिक नियम द्वारा, गिर जाएगी।” लेख और फोटो साइंस न्यूज से साभार

पेट्रीसिया वाटवुड द्वारा बनाया गया सेसिलिया पेन-गैपोस्किन का पोर्ट्रेट।