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Construyo telescopios, posteriormente descubrió tres nuevas nebulosas y ocho cometas. La nombraron miembro de la Real Academia Irlandesa y luego recibió la Medalla de Oro de las Ciencias.
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Hizo importantes contribuciones a la teoría de números y a la teoría de elasticidad. Gano el premio propuesto por la Academia de las Ciencias gracias a su teoría.
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Investigo la radiactividad, técnicas para el aislamiento de isotopos radiactivos y descubrió dos elementos; Polonio y Radio. Recibió el Premio Nobel de Física y el Premio Nobel de Química.
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Descubrió la Pequeña Nube de Magallanes y estableció la relación entre el periodo y la luminosidad de las estrellas variables conocidas como Cefeidas. Con este descubrimiento importante para descubrir los misterios del Universo, la conocida como "Ley de Leavitt" se utilizó para medir la distancia entre distintos objetos en el espacio. Gracias a su estudio, se pudo calcular el tamaño de la Vía Láctea. No fue reconocida debido a su muerte.
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Investigo la radiactividad y formo parte importante del equipo que descubrió la fisión nuclear. Reconoció que al bombardear uranio con neutrones existía la posibilidad de una reacción en cadena de enorme potencial explosivo, con esto fue invitada a participar en el desarrollo de la primera bomba nuclear pero rechazó la invitación. Fue la segunda mujer que obtuvo un doctorado en Física por la Universidad de Viena y junto a sus compañeros ganaron el Premio Enrico Fermi.
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A partir de estudios sísmicos, descubrió que el núcleo terrestre estaba formado por una parte sólida y una parte líquida. Lo descubrió al observar diferencias en la velocidad y la dirección de unas ondas conocidas como P en el registro sismológico al llegar al centro de la tierra, detectando una discontinuidad entre las dos partes del núcleo. Esta discontinuidad pasó a llamarse “discontinuidad de Lehmann” en su honor. Fue la primer mujer en recibir la Medalla William Bowie.
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Concluyó que las estrellas estaban formadas en un amplio porcentaje por hidrógeno, por lo que este se consideraba el elemento más abundante de todo el universo. Este trabajo fue considerado en su momento como "la más brillante tesis doctoral escrita nunca en astronomía". Recibió el Premio Annie J. Cannon en Astronomía (1934).
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Propuso el modelo de capas nuclear, fue la segunda mujer galardonada con el Premio Nobel de Física.
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Su aporte fue la medición de la rotación de las estrellas dentro de una galaxia. Sus mediciones ponían de manifiesto que las curvas de rotación galácticas se mantenían planas, contradiciendo el modelo teórico, siendo la evidencia más directa de la materia oscura. Obtuvo graduados Doctor honoris causa de numerosas universidades, entre ellas Harvard y Yale.
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Es una astrofísica norirlandesa que descubrió la primera radioseñal de un púlsar. Obtuvo la Medalla Michelson del Instituto Franklin junto
a su compañero.