Cecilia Payne-Gaposchkin: Die Frau, die Wasserstoff in den Sternen gefunden hat

Wasserstoff, das einfachste Atom, ist ein Grundbaustein des Universums. Wir wissen, dass es kurz nach der Geburt des Universums existierte und dass es immer noch als großer Teil des interstellaren Mediums erscheint, in dem Sterne entstehen. Es ist auch der Kernbrennstoff, der dafür sorgt, dass Sterne immense Energiemengen ausstrahlen, während sie sich über Äonen hinweg entwickeln, um die chemischen Elemente zu erzeugen.

Aber wie haben wir erfahren, dass Wasserstoff ein weit verbreiteter und grundlegender Bestandteil des Universums ist? Nicht genug Menschen wissen, dass die kosmische Bedeutung von Wasserstoff erstmals von einer jungen Doktorandin, Cecilia Payne (nach ihrer Heirat Payne-Gaposchkin), erkannt wurde, die 1925 Wasserstoff in den Sternen entdeckte. Tatsächlich erlangte sie ihren Doktortitel zu einer Zeit, als dies für Frauen noch äußerst schwierig war, und leistete für ihre Dissertation bahnbrechende Forschungsergebnisse. Bei allem Erfolg ihrer Wissenschaft zeigt ihre Geschichte auch die Barrieren und den Sexismus, die es Frauen schwer machten, ihre wissenschaftlichen Ambitionen zu verwirklichen, und die sich durchgehend auf ihre Karriere auswirkten.

Junger Wissenschaftler

Cecilia Payne wurde 1900 in Wendover, England, geboren. Ihr Vater starb, als sie vier Jahre alt war, aber ihre Mutter Emma erkannte, dass sie ein begabtes Kind hatte, das Wissenschaftlerin werden wollte. Emma meldete ihre Tochter an der St. Paul's School for Girls in London an, die gut für den naturwissenschaftlichen Unterricht ausgestattet war. Der 17-Jährigen ging es dort gut und gut, wie Payne-Gaposchkin später in ihrer Autobiografie schrieb Die Hand des Färbers (neu veröffentlicht unter dem Titel Cecilia Payne-Gaposchkin: Eine Autobiographie und andere Erinnerungen), schlich sie sich ins Wissenschaftslabor, um „meinen kleinen Gottesdienst abzuhalten und dabei die chemischen Elemente zu bewundern“.

Ihre fortgeschrittene naturwissenschaftliche Ausbildung begann 1919, als sie eintrat Newnham College im University of Cambridge mit einem Stipendium. Dort studierte sie Botanik, ihre erste Liebe, sowie Physik und Chemie – obwohl die Universität damals keine Abschlüsse für Frauen anbot. Dennoch war es eine aufregende Zeit für das Studium der Naturwissenschaften, da es die aufkommenden Bereiche der Quantenmechanik und Relativitätstheorie aufnahm.

In Cambridge erforschten Leute wie Ernest Rutherford die atomare und subatomare Welt, und Arthur Eddington untersuchte die Struktur und Entwicklung von Sternen. Tatsächlich war Payne-Gaposchkins Physiklehrer Rutherford selbst, aber als einzige Frau in seiner Klasse wurde sie gedemütigt. Die damaligen Universitätsvorschriften verlangten, dass sie in der ersten Reihe saß. Wie sie in ihrer Autobiografie erzählt: „Bei jeder Vorlesung blickte [Rutherford] mich scharf an ... und begann mit seiner lärmenden Stimme: ‚Damen und meine Herren.' Alle Jungen begrüßten diesen Witz regelmäßig mit tosendem Applaus und stampften mit den Füßen … bei jeder Vorlesung wünschte ich, ich könnte in der Erde versinken. Bis heute nehme ich instinktiv meinen Platz möglichst weit hinten im Hörsaal ein.“

Stattdessen ließ sich Payne-Gaposchkin von Eddington inspirieren. Fast zufällig besuchte sie seinen Vortrag über seine Expedition nach Westafrika im Jahr 1919, die Einsteins allgemeine Relativitätstheorie bestätigte. Dies beeindruckte sie so sehr, dass sie sich entschied, Physik und Astronomie der Botanik vorzuziehen. Als sie später zufällig Eddington traf, wie sie in ihrer Autobiografie schreibt, „platzte es aus mir heraus, dass ich gerne Astronomin werden würde …“ Er gab die Antwort, die mir trotz vieler Zurückweisungen Halt geben sollte: „Ich sehe keinen unüberwindlichen Einwand.“ „Er beauftragte sie mit seiner Arbeit über Sternstrukturen, warnte sie aber auch davor, dass es nach Cambridge wahrscheinlich keine Möglichkeiten für eine Astronomin in England geben würde.

Neue Ufer

Glücklicherweise ergab sich eine neue Möglichkeit, als Payne-Gaposchkin Harlow Shapley, den Direktor des Instituts, traf Observatorium des Harvard College in Cambridge, Massachusetts, während seines Besuchs im Vereinigten Königreich. Er ermutigte sie in ihren Bemühungen und sie erfuhr, dass er ein Graduiertenprogramm in Astronomie einführte. Auf eine begeisterte Empfehlung von Eddington hin bot Shapley ihr ein bescheidenes Stipendium als Forschungsstipendiatin an. 1923 segelte sie in die USA, um unter Shapleys Leitung mit der Arbeit an ihrer Doktorarbeit zu beginnen.

Frauen leisteten schon lange einen Beitrag zur Forschung am Harvard Observatory. In den 1870er Jahren hatte Shapleys Vorgänger als Direktor, Charles Pickering, damit begonnen, Frauen anzuheuern, die als „Harvard-Computer“ bekannt waren (im ursprünglichen Sinne einer Person, die Berechnungen durchführte), um die Datenbestände zu analysieren, die das Observatorium sammelte. Frauen wurden bevorzugt, weil man annahm, dass sie bei Arbeiten mit feinen Details geduldiger seien als Männer, und sie akzeptierten niedrigere Löhne als Männer. Einige der Computer wurden ohne naturwissenschaftliche Vorkenntnisse angeheuert, aber selbst diejenigen mit Hochschulabschluss wurden wie ungelernte Arbeiter mit 25–50 Cent pro Stunde bezahlt (siehe „Das Universum durch ein Glas dunkel").

Die Harvard-Computer waren keine unabhängigen Forscher, sondern Assistenten mit zugewiesenen Projekten. Dennoch leisteten diese Frauen einige der bedeutendsten Beiträge zur frühen beobachtenden Astronomie. Zu ihnen gehörten Henrietta Swan Leavitt – berühmt für ihre Entdeckung der Perioden-Leuchtkraft-Beziehung von Cepheid-Variablen – und Annie Jump Cannon, die international für die Organisation von Sternspektren bekannt war.

Seit Mitte des 19. Jahrhunderts war bekannt, dass jedes Element ein einzigartiges Muster von Spektrallinien erzeugt und dass die Spektren verschiedener Sterne sowohl Ähnlichkeiten als auch Unterschiede aufweisen. Dies deutete darauf hin, dass Sterne in Gruppen eingeteilt werden könnten, es bestand jedoch wenig Einigkeit darüber, wie dies am besten zu bewerkstelligen sei.

Im Jahr 1894 begann Cannon mit dem Projekt, die am Observatorium gesammelten Sternspektren zu untersuchen und in eine nützliche Ordnung zu bringen. Diese gewaltige Aufgabe beschäftigte sie jahrelang. Spektren verschiedener Sterne wurden auf fotografischen Glasplatten aufgezeichnet, wobei jedes Bild nicht länger als einen Zoll war. Mit einer Lupe las Cannon die Details Hunderttausender Spektren und sortierte die meisten davon in sechs Gruppen mit den Bezeichnungen B, A, F, G, K und M, wobei eine Minderheit in Gruppe O eingeordnet wurde. Das System basierte auf dem Stärke der Balmer-Absorptionslinien (die die Spektrallinienemissionen des Wasserstoffatoms beschreiben) und spiegelten die spektralen Signaturen bestimmter Elemente wider, beispielsweise Metalle in K-Sternen.

Spektralstudien

Cannon untersuchte jedoch weder die physikalischen Mechanismen, die die Spektren verursachten, noch extrahierte sie daraus quantitative Informationen. In ihrer Doktorarbeit stützte sich Payne-Gaposchkin auf die Physik, die sie in Cambridge gelernt hatte, um diesen einzigartigen Datencache mit den neuesten Theorien zu analysieren. Der Ursprung der Spektrallinien war erst ein Jahrzehnt zuvor, im Jahr 1913, durch Niels Bohrs frühe Quantentheorie des Wasserstoffatoms nachgewiesen und später durch andere erweitert worden. Diese Theorien galten für neutrale Atome. Payne-Gaposchkins große Einsicht bestand darin, zu erkennen, dass sich die Spektren angeregter oder ionisierter Atome – wie sie in der heißen Außenatmosphäre eines Sterns auftreten würden – von denen neutraler Atome derselben Art unterschieden.

Der Zusammenhang zwischen der Temperatur, den Quantenzuständen heißer Atome und ihren Spektrallinien wurde 1921 von der indischen Physikerin Meghnad Saha abgeleitet. Er konnte seine Ideen nicht vollständig testen, ohne die Quantenenergieniveaus für jedes Element zu kennen, aber diese wurden gerade gemessen, als Payne-Gaposchkin mit ihrer Forschung begann. In einem gewaltigen Aufwand kombinierte sie die neuen Daten mit Sahas Theorie, um Cannons Sternspektren einschließlich Temperatureffekten vollständig zu interpretieren. Ein wichtiges Ergebnis war die Korrelation der Sterntemperaturen mit den Cannon-Kategorien, wobei die Ergebnisse auch heute noch verwendet werden: Beispielsweise leuchten B-Sterne bei 20,000 K, während M-Sterne nur bei 3000 K leuchten. Dieses Ergebnis ist Teil von Payne-Gaposchkins bemerkenswerter These von 1925 Stellare Atmosphären, wurde gut aufgenommen, ein anderes Ergebnis ihrer Dissertation jedoch nicht.

Kompositorische Rätsel

Payne-Gaposchkin berechnete die relative Häufigkeit jedes in den Sternspektren vorkommenden Elements. Bei 15 von ihnen, von Lithium bis Barium, waren die Ergebnisse für verschiedene Sterne ähnlich und „zeigten eine auffällige Parallele zur Zusammensetzung der Erde“. Dies stimmte mit der Überzeugung der damaligen Astronomen überein, dass die Sterne aus dem gleichen Stoff wie die Erde bestanden.

Doch dann kam die große Überraschung: Ihre Analyse zeigte auch, dass Wasserstoff millionenfach häufiger vorkam als die anderen Elemente. Helium hingegen kam tausendmal häufiger vor. Die Schlussfolgerung, dass die Sonne fast vollständig aus Wasserstoff besteht, stieß bei einem angesehenen externen Gutachter ihrer Dissertation sofort auf Ärger. Dies war Henry Russell, Direktor des Princeton Observatory und ein starker Befürworter der Idee, dass Erde und Sonne die gleiche Zusammensetzung hätten. Russell war beeindruckt, bis er ihr Ergebnis für Wasserstoff las. Dann schrieb er an Payne-Gaposchkin, dass etwas mit der Theorie nicht stimmen müsse, denn „es ist eindeutig unmöglich, dass Wasserstoff eine Million Mal häufiger vorkommt als die Metalle.“

Ohne Russells Segen wäre die Dissertation nicht angenommen worden und so tat Payne-Gaposchkin, was sie für nötig hielt. In der endgültigen Fassung ihrer Dissertation lehnte sie diesen Teil ihrer Arbeit ab, indem sie schrieb: „Die enorme Häufigkeit, die für [Wasserstoff und Helium] ermittelt wurde, ist mit ziemlicher Sicherheit nicht real.“ Doch 1929 veröffentlichte Russell seine eigene Ableitung der Sternhäufigkeit der Elemente einschließlich Wasserstoff, wobei er eine andere Methode verwendete. Er zitierte Payne-Gaposchkins Arbeit und stellte fest, dass seine Ergebnisse für alle Elemente, einschließlich der großen Menge an Wasserstoff, bemerkenswert gut mit ihren übereinstimmten. Ohne es direkt zu sagen, bestätigte Russells Artikel, dass Payne-Gaposchkins gesamte Analyse richtig war und dass sie als Erste entdeckte, dass die Sonne größtenteils aus Wasserstoff besteht. Trotzdem hat er nie erklärt, dass er dieses Ergebnis in ihrer Dissertation ursprünglich abgelehnt hatte.

Es kann sein, dass Russell seinen Kommentar zu Wasserstoff abgegeben hat, um eine junge Wissenschaftlerin zu warnen, dass die Präsentation von Ergebnissen, die im Widerspruch zu akzeptierten Vorstellungen stehen, ihrer Karriere schaden könnte. Wahrscheinlich hätte nur ein erfahrener Forscher von Russells Format die astronomische Gemeinschaft von dieser neuen Entdeckung überzeugen können. Tatsächlich beeinflusste seine spätere Arbeit die Astronomen dahingehend, zu akzeptieren, dass Sterne aus Wasserstoff bestehen, und zwar so sehr, dass ihm die Entdeckung zugeschrieben wurde.

Die Kraft der These von Cecilia Payne-Gaposchkin spricht für sich. Ihr klarer Schreibstil, ihre Beherrschung des Themas und ihre bahnbrechende Wissenschaft kommen durch

Auch ohne angemessene Anerkennung spricht die Aussagekraft von Payne-Gaposchkins These für sich. Ihr klarer Schreibstil, ihre Beherrschung des Themas und ihre bahnbrechende Wissenschaft kommen durch. Shapley ließ das Werk als Monographie drucken und es wurden 600 Exemplare verkauft – für eine Dissertation quasi Bestseller-Status. Das höchste Lob kam fast 40 Jahre später, als der angesehene Astronom Otto Struve anrief Stellare Atmosphären „die brillanteste Doktorarbeit, die jemals in der Astronomie geschrieben wurde“.

Wenn Payne-Gaposchkin Russell gegenüber irgendeinen bösen Willen hegte, ließ sie es sich äußerlich nicht anmerken und pflegte eine persönliche Beziehung zu ihm. In einer Rezension seiner Arbeit, die sie 1977 zu einem Symposium zu seinen Ehren beitrug (er starb 1957), nannte sie seinen Aufsatz von 1929 „epochemachend“, ohne sich auf ihre eigene Arbeit zu beziehen. Was sie sehr bedauerte, war, dass sie nicht hinter ihrem Ergebnis gestanden hatte. Ihre Tochter Katherine Haramundanis schrieb, dass sie „ihr ganzes Leben lang diese Entscheidung beklagt hat“. In ihrer Autobiografie schrieb Payne-Gaposchkin: „Es war meine Schuld, dass ich meinen Standpunkt nicht durchgesetzt habe. Ich hatte der Autorität nachgegeben, als ich glaubte, Recht zu haben ... Ich nehme es hier als Warnung an die Jugend zur Kenntnis. Wenn Sie sich Ihrer Fakten sicher sind, sollten Sie Ihre Position verteidigen.“

Kampf gegen Voreingenommenheit und Vorurteile

Nach Abschluss ihrer Dissertation blieb Payne-Gaposchkin unter Shapley am Observatorium, allerdings in einer ungewöhnlichen Situation. Sie wollte die astrophysikalische Forschung fortsetzen, aber weil Shapley ihr als seine „technische Assistentin“ ein (kleines) Gehalt zahlte, hatte er das Gefühl, er könne sie anleiten, als wäre sie ein Harvard-Computer, und er beauftragte sie mit der Messung der Helligkeit von Sternen – a Routineprojekt, das sie nicht besonders beschäftigte. Shapley ließ sie auch in Graduiertenkursen unterrichten, jedoch ohne den Titel „Dozent“ oder gar „Professor“ und ohne dass ihre Kurse im Katalog aufgeführt waren. Um Abhilfe zu schaffen, wandte sich Shapley an den Dekan und Harvard-Präsidenten Abt Lawrence Lowell, doch dieser lehnte entschieden ab. Lowell sagte Shapley, dass Miss Payne (wie sie damals genannt wurde) „niemals eine Stelle an der Universität haben würde, solange er lebte“.

Eine solche geschlechtsspezifische Voreingenommenheit wirkte sich auf Payne-Gaposchkin in jeder Phase ihrer Karriere aus. Ihr Doktortitel (der erste in Astronomie in Harvard) stammte technisch gesehen nicht aus Harvard. Shapley hatte den Vorsitzenden der Physikabteilung der Harvard-Universität gebeten, die Dissertation zu genehmigen, aber als Shapley Payne-Gaposchkin mitteilte, weigerte sich der Vorsitzende, eine Kandidatin aufzunehmen. Stattdessen musste Shapley dafür sorgen, dass ihr der Doktortitel verliehen wurde Radcliffe, das Frauencollege in Harvard. Als er später begann, in Harvard eine echte Abteilung für Astronomie aufzubauen, war Shapley davon überzeugt, dass Payne-Gaposchkin, sein bester Forscher, gut geeignet sei, als erster Lehrstuhlinhaber zu fungieren – aber er erkannte, dass Lowell dies niemals zulassen würde, und so brachte er es bei einem männlichen Astronomen.

Nach jahrzehntelanger Arbeit am Observatorium, der Veröffentlichung von Büchern und Hunderten von Forschungsarbeiten und dem Aufstieg zu einem gefragten Dozenten befand sich Payne-Gaposchkin weiterhin in einer Art Karriere-Zwielicht – schlecht bezahlt und ohne eine echte akademische Position. Dies änderte sich erst 1954, als Shapley in den Ruhestand ging und Donald Menzel, Russells Preisträger in Princeton, Direktor des Observatoriums wurde. Er entdeckte, wie wenig Payne-Gaposchkin bezahlt wurde, verdoppelte ihr Gehalt und tat dann etwas wirklich Bedeutendes. Da Lowell und seine frauenfeindliche Voreingenommenheit längst verschwunden waren (er war 1933 in den Ruhestand getreten), gelang es Menzel, Payne-Gaposchkin zum ordentlichen Professor für Astronomie zu ernennen. Das waren große Neuigkeiten: die New York Times berichtete am 21. Juni 1956, dass „[Payne-Gaposchkin] die erste Frau ist, die durch regelmäßige Beförderungen eine ordentliche Professur in Harvard erlangt.“ Einige Monate später wurde sie Vorsitzende der Abteilung für Astronomie und war damit die erste Frau, die eine Abteilung in Harvard leitete.

Rückblickend war Payne-Gaposchkins Karriere mit einer herausragenden Dissertation, produktiver Forschung, exzellenter Lehre und einer Auszeichnung für ihre „Premieren“ in Harvard und anderen Ehrungen äußerst erfolgreich. Neben all ihrer akademischen Arbeit fand sie Raum für ihr Privatleben. Sie heiratete 1934 den russischen Emigranten-Astronomen Sergei Gaposchkin und zog mit ihm drei Kinder groß, während sie gleichzeitig ihre astronomischen Forschungen fortsetzte.

Außergewöhnlicher Antrieb

In gewisser Weise könnte man sagen, dass sie „alles hatte“, wenn es darum ging, Wissenschaft mit Familie und Kindern zu vereinbaren, aber der Weg dorthin war aufgrund der Voreingenommenheit gegenüber Frauen unnötig schwierig und anstrengend. Sie wurde erst im Alter von 56 Jahren ordentliche Professorin, viel später, als ein Mann mit ähnlichen Leistungen diesen Status erreicht hätte, und nachdem sie bei der Beförderung übergangen worden war, was einen psychologischen Tribut gefordert haben muss. Nur eine Person mit außergewöhnlichem Tatendrang und Beharrlichkeit sowie wissenschaftlichen Fähigkeiten hätte bis zur endgültigen Anerkennung durchhalten können.

Letztendlich war Cecilia Payne-Gaposchkin, die 1979 starb, eine bahnbrechende Wissenschaftlerin, die im Laufe ihrer Karriere erstaunliche Arbeit geleistet hat, aber die meiste Zeit davon nicht professionell behandelt wurde. Die meisten Harvard-Computer waren Angestellte und keine Forscher oder Doktoranden. Während Shapley Payne-Gaposchkin wichtige Möglichkeiten verschaffte und verstand, wie gut sie als Wissenschaftlerin war, behandelte er sie auch lediglich wie einen weiteren Harvard-Computer, den er angeheuert hatte, um seine eigenen Pläne für das Observatorium zu unterstützen. Sie förderte die Position der Frauen in der Astronomie über die der Computer hinaus, stieß jedoch immer noch auf Hindernisse, die sie davon abhielten, die vollständige Wissenschaftlerin zu werden, die sie sein wollte, was Frauen erst später im 20. Jahrhundert zu erreichen begannen. Ihre herausragende Arbeit wurde oft übersehen und ihr Vermächtnis vergessen, da sie zu einer der vielen „verborgenen“ Frauen in der Wissenschaft wurde, die tatsächlich den Grundstein auf ihrem Gebiet legten. Erst in jüngerer Zeit werden die bedeutenden Beiträge von Leuten wie Payne-Gaposchkin in die Geschichte der Wissenschaft aufgenommen, und sie sollte als wichtige Übergangsfigur zwischen älteren und neueren Möglichkeiten für Frauen in der Wissenschaft in Erinnerung bleiben.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/cecilia-payne-gaposchkin-the-woman-who-found-hydrogen-in-the-stars/