Seit Tausenden von Jahren dienen die Sterne als Hilfsmittel für die Navigation, als Inspiration für Mythen und als Quelle des Staunens. Doch im Jahr 1925 enthüllte eine bahnbrechende Entdeckung der Studentin Cecilia Payne die wahre Natur der schimmernden Lichtpunkte am Himmel.

Payne war eine herausragende junge Wissenschaftlerin, deren innovatives Denken im Alter von 24 Jahren das Verständnis des Universums veränderte. Ihre Arbeit stellte lang etablierte Ideen in Frage und wurde zu einem entscheidenden Schritt in der astrophysikalischen Forschung.

Während viele Wissenschaftler der damaligen Zeit glaubten, dass Sterne (einschließlich unserer eigenen Sonne) aus erdähnlichen Schwermetallen bestehen, war Payne der Meinung, dass sie eine ganz andere chemische Zusammensetzung haben. Sie stellte die These auf, dass Wasserstoff und Helium die Hauptelemente in Sternen sind. Aber wie wollte sie das beweisen?

Wie jede wissenschaftliche Hypothese, die sich gegen das Dogma der damaligen Zeit richtete, stieß auch Paynes Forschung auf große Skepsis. Aber als junge Frau in dem von Männern dominierten Bereich der Astronomie bekam sie diese Spannungen noch stärker zu spüren.

In den 1600er Jahren begann die Menschheit mit dem Bau von Teleskopen, die es ihr ermöglichten, Sterne genauer zu beobachten. Infolgedessen wurden viele Beobachtungen über diese Lichtpunkte gemacht, darunter auch, dass sie dazu neigten, sich zu wolkenartigen "Nebeln" zusammenzuballen.

Um 1800 begannen die Menschen, Prismen für ein Verfahren zu verwenden, das als Spektroskopie bekannt ist und bei dem das einfallende Sonnenlicht in einen Regenbogen von Farben zerlegt wird. Später setzten Astronomen diese Prismen in Teleskope ein, in der Hoffnung, das Sternenlicht aufzeichnen und analysieren zu können.

Die Erfindung der Spektroskopie im 19. Jahrhundert ermöglichte es den Wissenschaftlern, das Sternenlicht in verschiedene Farben zu zerlegen, die dann mit einer mit einer Emulsion beschichteten fotografischen Glasplatte in Wechselwirkung treten konnten. Wenn Photonen des Lichts die Emulsion berührten, erschienen dunkle Flecken. Dabei handelte es sich im Grunde um die Signaturen weit entfernter Sterne.

Durch den Einsatz von Prismen in Teleskopen entdeckten die Astronomen Muster, die auf die chemische Zusammensetzung der Sterne hindeuteten, obwohl viele immer noch glaubten, dass sie die gleiche elementare Zusammensetzung wie die Erde haben.

In den 1800er Jahren gingen die Wissenschaftler davon aus, dass Sterne die gleichen Materialien enthalten wie die Erde, weil die Spektralmuster auf den Emulsionsplatten ähnlich sind. Dieser Glaube blieb unangefochten, bis Payne mit ihrer Arbeit den überwältigenden Reichtum an Wasserstoff und Helium in Sternen nachwies.

Die am 10. Mai 1900 in Wendover, England, geborene Cecilia Payne ging in ihrer Jugend ihrer Leidenschaft für Wissenschaft und Musik nach, bevor sie 1919 ein Stipendium für das Newnham College an der Universität Cambridge erhielt.

Payne studierte zunächst Botanik, wechselte aber schon im ersten Studienjahr zur Physik. Ihre Ausbildung in Atomphysik verdankt sie Ernest Rutherford (der entdeckte, dass jedes Atom einen positiv geladenen Kern hat) und Niels Bohr (der das Verhalten von Elektronen erforschte, die diesen Kern umkreisen).

Paynes Interesse an der Astronomie wurde geweckt, als sie 1919 eine Vorlesung von Arthur Eddington besuchte, in der er Einsteins damals brandneue allgemeine Relativitätstheorie anhand von Sonnenfinsternisdaten überprüfte. Die Bilder, die er von den Sternen aufnahm, schienen zu zeigen, dass sich ihre Positionen am Himmel verschoben, da die Schwerkraft der Sonne auf ihr Sternenlicht einwirkte und ihre Bahnen veränderte.

Nachdem ihr in England alle akademischen Möglichkeiten verwehrt worden waren, zog Payne 1923 in die Vereinigten Staaten. Sie begann ihr Studium am Harvard College Observatory, einer der wenigen Institutionen, die Frauen in der Astronomie willkommen hießen, und machte dort ihre revolutionäre Entdeckung.

In Harvard wurden die meisten Frauen in der Astronomie in die Rolle des "Computers" gedrängt, der Berechnungen durchführt und das Sternenlicht analysiert. Payne durchbrach dieses Schema, indem sie unabhängige Forschung betrieb und sich über die ihren weiblichen Kollegen auferlegten Beschränkungen hinwegsetzte.

Payne lehnte die Vorschläge ihres Mentors ab, frühere Arbeiten zu wiederholen, und analysierte stattdessen jahrzehntelang unberührte spektroskopische Daten. Zu dieser Zeit verfügte kein anderes Institut auf der Welt über so viele Emulsionsplatten wie Harvard, auf denen alle Sternsignaturen erhalten waren.

Als Payne mit seinen Forschungen in Harvard begann, hatten die Wissenschaftler bereits herausgefunden, woher die auf den Spektroskopieplatten sichtbaren Muster kamen. Sie wurden auf die wechselnden Energieniveaus der Elektronen zurückgeführt, die um den Atomkern kreisen und Licht aussenden oder absorbieren.

Interessant ist, dass die Farbe des Lichts immer einem bestimmten Atom entspricht. So würden beispielsweise Kohlenstoffatome immer die gleiche Menge an Licht aussenden oder absorbieren, während sie sich bei den Atomen anderer Elemente unterscheiden würde.

Payne nutzte diese aktuellen Fortschritte in der Atomphysik, um das Sternenlicht zu analysieren. Sie brachte das Verhalten der Elektronen in den Atomen mit den in den Sternen beobachteten Spektrallinien in Verbindung, was ein klareres Bild der chemischen und physikalischen Prozesse in den Sternen ergab.

Payne integrierte die Erkenntnisse des indischen Physikers Meghnad Saha (im Bild) über das Verhalten von Gasen unter extremen Bedingungen und konnte so berechnen, wie Temperatur und Druck in Sternen die Spektralmuster beeinflussen können.

Durch die Analyse von Sternenlichtspektren von der Oberfläche von Sternen identifizierte Payne leere Bereiche, in denen Gase wie Wasserstoff und Helium das Licht absorbierten. Dies half ihr, die Häufigkeit von Elementen in Sternen zu berechnen und schließlich deren wahre und überwältigende Zusammensetzung zu enthüllen.

Paynes Forschung zeigte, dass Wasserstoff und Helium in Sternen weitaus häufiger vorkommen als jedes andere schwerere Element. Diese Erkenntnis stellte frühere Annahmen in Frage und veränderte das Verständnis der Wissenschaftler über die chemische Zusammensetzung des Universums.

Paynes Arbeit zeigte, wie der extreme Druck und die Temperaturen im Inneren von Sternen deren Lichtmuster beeinflussen. Sie schloss ihre Arbeit schließlich 1925 ab und erwarb damit ihren Doktortitel in Astronomie.

Zu Paynes Zeit gab es viele Herausforderungen, denen sich Wissenschaftler (insbesondere Frauen) stellen mussten, wenn sie wissenschaftliche Dogmen anzweifelten. Trotz der Brillanz ihrer These sah sich Payne heftiger Kritik ausgesetzt, insbesondere von Henry Norris Russell, einem prominenten Astronomen, der ihre Erkenntnisse anzweifelte.

Nur vier Jahre nach Paynes Dissertation bestätigte Henry Norris Russell ihre Schlussfolgerungen und bestätigte damit ihre Behauptungen über die elementare Zusammensetzung von Sternen. Diese Anerkennung machte ihre Arbeit zu einem Eckpfeiler der modernen Astrophysik.

Paynes 200-seitige Dissertation gilt noch immer als ein Meisterwerk der astronomischen Forschung. Ihre Präzision, die Liebe zum Detail und die bahnbrechenden Schlussfolgerungen haben Generationen von Wissenschaftlern dazu inspiriert, die Sterne mit größerem Verständnis zu erforschen.

Durch ihre Forschungen ebnete Payne den Wissenschaftlern nicht nur den Weg, um zu verstehen, wie sich Sterne entwickeln (von ihrer Entstehung bis zu ihrem explosiven Tod oder ruhigen Abklingen), sondern auch, wie ihre Energie durch ihre äußeren Schichten übertragen wird.

Nach ihrer Promotion im Jahr 1925 widmete Cecilia Payne ihre gesamte akademische Laufbahn der Universität Harvard. Als Frau war es ihr verwehrt, Professorin zu werden, und so verbrachte sie trotz ihrer überaus erfolgreichen Doktorarbeit viele Jahre in schlecht bezahlten Forschungsjobs.

Im Jahr 1956 betrat Payne schließlich Neuland in Harvard, indem sie die erste weibliche Professorin der Universität wurde und als erste Frau den Vorsitz eines Fachbereichs übernahm. Zuvor war Alice Hamilton 1919 als erste Frau in die Harvard-Fakultät aufgenommen worden, hatte aber immer nur eine Assistenzprofessur inne.

Paynes Reise ist eine Erinnerung an die menschliche Leistung hinter der Wissenschaft. Ihre Neugier, ihr Mut und ihr Intellekt veranschaulichen, wie ein einziger neugieriger Geist unser Verständnis der natürlichen Welt und des Platzes der Menschheit im Kosmos verändern kann.

Quellen: (National Geographic) (Britannica) (American Museum of Natural History) (American Physical Society)

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