Cecilia Payne und die Entdeckung, dass Sterne hauptsächlich aus Wasserstoff bestehen
1925 bewies eine 25-jährige Doktorandin, dass Sterne fast ausschließlich aus Wasserstoff bestehen. Der führende Experte des Fachgebiets sagte ihr, das Ergebnis sei unmöglich.
1925 reichte eine 25-jährige Doktorandin namens Cecilia Payne am Harvard College Observatory eine Doktorarbeit ein, in der sie etwas behauptete, was zu dieser Zeit in der Astronomie kaum jemand glaubte: dass die Sonne und die Sterne fast ausschließlich aus Wasserstoff und Helium bestehen, und nicht aus derselben Mischung aus Eisen, Silizium und Gestein, aus der die Erde besteht. Die vorherrschende Annahme unter Astronomen war, dass Sterne im Wesentlichen überhitzte Versionen unseres eigenen Planeten waren – chemisch gesehen heiße Erden. Paynes Analyse des Sternenlichts sagte etwas anderes, und sie hatte Recht.
Ihre Dissertation wurde seither von ihrem Kollegen, dem Astronomen Otto Struve, als die brillanteste Doktorarbeit bezeichnet, die jemals in der Astronomie geschrieben wurde. Zu der Zeit, als sie sie schrieb, teilte ihr einer der angesehensten Astronomen des Landes schriftlich mit, dass ihre zentrale Erkenntnis eindeutig unmöglich sei.
Was die Zahlen tatsächlich zeigten
Paynes Dissertation mit dem Titel „Stellar Atmospheres: A Contribution to the Observational Study of High Temperature in the Reversing Layers of Stars“ (Sternatmosphären: Ein Beitrag zur Beobachtungsstudie hoher Temperaturen in den Umkehrschichten von Sternen) kombinierte die Untersuchung von Sternspektren mit einer kürzlich entwickelten Theorie, die beschreibt, wie Atome bei extremen Temperaturen Elektronen verlieren. Indem sie diese Theorie zum ersten Mal rigoros auf Sternenlicht anwandte, berechnete sie die relative Häufigkeit verschiedener Elemente in Sternatmosphären und fand heraus, dass Wasserstoff etwa eine Million Mal häufiger vorkam als schwerere Elemente wie Eisen und Silizium, wobei Helium etwa tausendmal häufiger war. Mit anderen Worten, Sterne bestanden überwiegend aus Wasserstoff und Helium, wobei alles andere nur in Spuren vorhanden war.
Warum sie ihr eigenes Ergebnis beinahe begraben hätte
Henry Norris Russell, ein angesehener Princeton-Astronom, der in Paynes Dissertationskomitee saß, überprüfte ihren Entwurf und schrieb zurück, dass eine so hohe Häufigkeit von Wasserstoff im Vergleich zu schwereren Elementen „eindeutig unmöglich“ sei, was das damalige Vertrauen widerspiegelte, dass Sterne die gleiche Zusammensetzung wie die Erde hätten. Unter diesem Druck beschrieb Payne in der veröffentlichten Version ihrer Dissertation ihre eigenen Wasserstoff- und Heliumhäufigkeiten als „fast sicher nicht real“ – während sie die tatsächlichen Zahlen weiterhin abdruckte. Historiker, die die Episode untersucht haben, interpretieren diese Formulierung als bewussten Kompromiss: Sie distanzierte sich in Worten von der Schlussfolgerung, stellte aber sicher, dass die Daten selbst als ihre eigenen zuerst festgehalten wurden.
Vier Jahre später bestätigt, weniger gewürdigt
Im Jahr 1929 veröffentlichte Russell – derselbe Astronom, der sie gedrängt hatte, ihre Sprache abzuschwächen – seine eigene Arbeit, die mit einer anderen Methode zu derselben Schlussfolgerung über die Häufigkeit von Wasserstoff in Sternen gelangte, und zitierte ihre frühere Arbeit anerkennend. Jahrelang danach wurde Russell oft die populäre Anerkennung für die Entdeckung zugeschrieben, obwohl Payne die Erkenntnis zuerst erreicht und veröffentlicht hatte. Moderne Messungen haben ihre ursprünglichen Zahlen vollständig bestätigt: Die anerkannte Zusammensetzung von Sternen in der Milchstraße beträgt ungefähr vierundsiebzig Prozent Wasserstoff und vierundzwanzig Prozent Helium, wobei alle anderen Elemente zusammen etwa zwei Prozent ausmachen. Sie wurde später die erste Frau, die eine Abteilung in Harvard leitete.
Als illustrierte Geschichte erzählt
Häufig gestellte Fragen
Was entdeckte Cecilia Payne?
In ihrer Doktorarbeit von 1925 zeigte Payne, dass Sterne, einschließlich der Sonne, fast ausschließlich aus Wasserstoff und Helium bestehen – Wasserstoff etwa eine Million Mal häufiger und Helium etwa tausendmal häufiger als schwerere Elemente. Dies widerlegte die vorherrschende Annahme, dass Sterne ungefähr die gleiche chemische Zusammensetzung wie die Erde hätten.
Wurde Cecilia Payne die Entdeckung zugeschrieben, dass Sterne aus Wasserstoff bestehen?
Nur teilweise und erst im Laufe der Zeit. Ein leitender Astronom in ihrem Dissertationskomitee, Henry Norris Russell, bezeichnete ihre Erkenntnis zunächst als „eindeutig unmöglich“ und drängte sie, ihre Schlussfolgerungen in der Veröffentlichung abzuschwächen. Als Russell vier Jahre später selbst dieselbe Schlussfolgerung mit einer anderen Methode veröffentlichte, wurde ihm lange Zeit mehr populäre Anerkennung zuteil als Payne, obwohl er ihre frühere Arbeit zitierte.
Als was gilt Cecilia Payne-Gaposchkins Dissertation heute?
Sie wird weithin als eines der wichtigsten Werke in der Geschichte der Astronomie angesehen – der Astronom Otto Struve nannte sie „die brillanteste Doktorarbeit, die jemals in der Astronomie geschrieben wurde“ – und moderne Messungen haben ihre ursprünglichen Zahlen zur Wasserstoff- und Heliumhäufigkeit vollständig bestätigt.