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El 15 de mayo de 1857 nacía en Dundee (Escocia) Willamina Paton Stevens. Adoptó el apellido Fleming de su esposo tras casarse a los 20 años, teniendo que emigrar a Boston.
Tras ser abandonada por su marido cuando estaba embarazada, empezó a trabajar como criada de Edward Charles Pickering, director del Harvard College Observatory. Este supo ver sus habilidades para la ciencia y le ofreció un empleo temporal en el observatorio.
Gracias a su dedicación, su puesto pronto pasó a ser permanente y Fleming tuvo a su cargo a varias mujeres jóvenes encargadas de hacer los cómputos matemáticos. Se ocupó de corregir todos los originales de las publicaciones y ayudó a elaborar un nuevo sistema de asignación de estrellas. En 1898 fue nombrada conservadora de archivo de fotografías astronómicas, primer cargo institucional que Harvard concedía a una mujer.
En sus casi 30 años en el observatorio, Fleming descubrió 59 nebulosas gaseosas, 310 estrellas variables y 10 novas. Desarrolló la técnica de Pickering-Fleming que utilizó para catalogar más de 10.000 estrellas. También descubrió propiedades de los espectros de las enanas blancas, estrellas muy densas y calientes.
Como reconocimiento a su trayectoria, en 1906 se convirtió en la primera mujer elegida por la Royal Astronomical Society. Su trabajo proporcionó las bases para las contribuciones futuras de su sucesora Annie Jump Cannon.
