Sternengeschichten Folge 248: Cecilia Payne-Gaposchkin und die Zusammensetzung der Sterne

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Sternengeschichten Folge 248: Cecilia Payne-Gaposchkin und die Zusammensetzung der Sterne

Woraus bestehen Sterne? Das wusste die längste Zeit der Menschheitsgeschichte niemand. Man wusste nicht einmal, was Sterne überhaupt sind. Oder wie weit entfernt sie sich befinden. Ich habe in vielen vergangenen Folgen der Sternengeschichten schon davon erzählt wie die Astronomen diese Rätsel langsam gelöst haben. Wie sie zuerst festgestellt haben, dass die Erde sich um die Sonne dreht und die Sterne keine Lichtpunkte auf irgendeiner kristallenen Himmelssphäre sind. Wie sie vermuteten, dass die Sterne der Sonne ähnlich aber weit, weit entfernt sind und wie sie diese Vermutung durch die erste Abstandsmessung zu den Sternen im 19. Jahrhundert bestätigen konnte. Und selbst das größte Rätsel konnten sie lösen: Die Frage nach der Zusammensetzung der Sterne.

Das erschien lange Zeit komplett unmöglich und in diesem Zusammenhang wird immer zitiert was der französische Philosoph Auguste Comte noch 1835 in seiner “Rede über den Geist des Positivismus” über die Sterne gesagt hatte: „Wir haben die Möglichkeit, ihre Formen, Entfernungen, Größen und Bewegungen zu bestimmen, während wir niemals durch irgendein Mittel ihre chemische Zusammensetzung [bestimmen können]“. Und tatsächlich war das aus damaliger Sicht keine komplett unsinnige Behauptung. Denn in der Astronomie können wir nur beobachten. Wir können die Sterne, Planeten oder Galaxien nicht im Labor auseinandernehmen, abwiegen, angreifen und untersuchen. Und wie soll man nur anhand des wenigen Lichts das aus dem fernen Universum vom nächtlichen Himmel auf die Erde fällt herausfinden, aus was so ein Stern besteht?

Die Lösung entdeckten nur wenige Jahre nach Comtes Aussage die beiden Wissenschaftler Gustav Kirchhoff und Robert Bunsen. In Heidelberg fanden sie 1859 heraus, dass Licht mehr Informationen enthält als man bisher dachte. Licht ist ja meistens eine Mischung aus verschiedenen Farben. Das was wir als weißes Licht sehen, besteht in Wahrheit aus rotem Licht, blauen Licht, grünen Licht, gelben Licht und so weiter das zusammengemischt eben für uns weiß aussieht. Mit entsprechenden optischen Geräten kann man das weiße Licht aber wieder in seine Bestandteile aufspalten. Schickt man Licht durch ein sogenanntes „Prisma“ – ein speziell geformtes Stück Glas – dann sieht man dahinter einen Regenbogen (und wie ich in Folge 92 der Sternengeschichten erklärt habe entsteht ein echter Regenbogen ja auch dadurch, dass Sonnenlicht durch Wassertropfen in seine Bestandteile aufgespalten wird). In der Astronomie wird dieser Regenbogen „Spektrum“ genannt und wenn man sich das Spektrum ganz genau ansieht dann zeigt sich, dass ganz bestimmte Farben fehlen. Man findet dünne, dunkle Linien im Regenbogen die Farbbereiche anzeigen, die im weißen Licht fehlen.

Das wusste man schon früher, aber erst Kirchhoff und Bunsen konnten erklären warum das so ist. Es hat mit den Eigenschaften der Atome zu tun, die das Licht auf seinem Weg durchquert. Ein Atom besteht aus einem Atomkern und einer Hülle aus Elektronen. Diese Elektronen können Licht absorbieren – aber sie tun das auf ganz bestimmte Art und Weise. Je nach Anzahl und Konfiguration der Elektronen kann ein Atom nur Licht mit einer ganz bestimmten Wellenlänge aufnehmen. Und dieses Licht fehlt dann am Ende im Regenbogen. Dem Licht das also aus dem Inneren der Sonne zur Erde kommt und dabei das Gas durchquert hat aus dem die Sonne besteht fehlen also ein paar Farben und verantwortlich dafür ist die Materie aus der die Sonne besteht. Kirchhoff und Bunsen erkannten, dass jedes chemische Element eine ganz charakteristische Anordnung dunkler Linien erzeugt. Die Linien im Regenbogen, die sogenannten Spektrallinien sind also eine Art Fingerabdruck an dem sich erkennen lässt aus welcher Art von Materie sie entstehen. Und was mit dem Licht der Sonne funktioniert, funktioniert natürlich auch mit dem Licht der Sterne.

Die von Kirchhoff und Bunsen entwickelte „Spektralanalyse“ ist also ein ideales Mittel um nur aus der Beobachtung des Sternenlichts auf die Zusammensetzung der Sterne kommen zu können. In der Praxis ist die Sache allerdings ein wenig komplizierter und hier kommt nun Cecilia Payne-Gaposchkin ins Spiel. Sie wurde am 10. Mai 1900 im englischen Wendover geboren. Ihr Vater war ein Anwalt und Historiker, starb aber schon als Cecilia erst vier Jahre alt war. Als Kind ging sie auf eine sehr religiöse Schule, konnte aber mit der Religion nicht viel anfangen. Stattdessen brachte sie sich aus Büchern selbst das bei, was sie wirklich interessierte – damals vor allem Botanik und Chemie. Mit 19 Jahren kam sie auf das Newnham-College der Universität Cambridge, wo auch Frauen zugelassen war. Anfänglich studierte sie noch Botanik, aber nach einem Vortrag des berühmten Astronomen Arthur Eddington, der damals davon berichtete wie er durch die Beobachtung einer Sonnenfinsternis in Afrika die allgemeine Relativitätstheorie von Albert Einstein bestätigen konnte war sie so von der Astronomie begeistert, dass sie ihr Studienfach wechselte. Sie beendet ihr Studium ab – musste Cambridge aber 1922 ohne offiziellen Abschluss verlassen. Frauen durften damals zwar lernen, einen Abschluss wollte man ihnen aber nicht verleihen.

Genervt von der frauenfeindlichen Haltung in Großbritannien ging Cecilia Payne nach Amerika. Dort traf sie Harlow Shapley, den Direktor der Sternwarte von Harvard. Über Shapley habe ich schon in Folge 49 der Sternengeschichten erzählt, als es um seine Rolle bei der „Großen Debatte“ bei der um die Frage nach der Größe der Milchstraße und des Universums gestritten wurde. Shapley bot Payne eine Stelle als Doktorandin an der Sternwarte an und 1925 erhielt sie schließlich auch ihren Doktortitel. Die Arbeit mit der ihr das gelang trug den Titel „Stellar Atmospheres, A Contribution to the Observational Study of High Temperature in the Reversing Layers of Stars“ und der bekannte Astronom Otto Struve, damals Dozent am Yerkes Observatory in Chicago bezeichnte die Arbeit als die „unzweifelt brillianteste Doktorarbeit die jemals in der Astronomie geschrieben wurde“.

Das klingt übertrieben, ist es aber nur wenig. Denn in dieser Arbeit ist Payne nicht weniger gelungen als herauszufinden woraus Sterne bestehen! Aber wieso erst 1925? Die Spektralanalyse gab es doch schon seit 1859 – wieso hat es 66 Jahre gedauert? Nun, natürlich hatte man auch schon vor Paynes Arbeit die Spektren der Sonne und der Sterne beobachtet und daraus probiert die Zusammensetzung zu bestimmen. Diese Aufgabe ist allerdings knifflig. Ein einziges chemisches Element kann viele dunkle Linien erzeugen und im beobachteten Spektrum findet man alle Linien aller Elemente vermischt. Man muss irgendwie herausfinden welche Linien zu welchem Element gehören. Dazu braucht es Messungen im Labor bei der man sich ganz genau ansieht wo bestimmte Elemente Linien erzeugen. Es braucht theoretische Berechnungen die die Position der Linien vorhersagen. Und dann muss man lange puzzeln bis man herausfindet, was in einem konkreten Spektrum zu sehen ist.

Genau das war der Punkt an dem die Astronomen vor Payne Fehler gemacht hatten und wo erst Payne selbst den Durchbruch schaffte. Zuvor war man allgemein der Meinung dass die Sterne in etwa aus dem gleichen Material bestehen müssten wie die Erde. Auch die Sonne sollte aus Kohlenstoff, Silicium, Eisen, etc bestehen – nur halt viel heißer sein. Und diese Elemente konnte man auch im Spektrum des Sonnenlichts finden. Die Sache schien also klar und war auch nicht völlig aus der Luft gegriffen. Denn immerhin ging man zurecht davon aus, dass Sonne, Erde und die anderen Planeten aus der selben ursprünglichen Wolke aus kosmischen Staub entstanden sind. Und wenn all diese Himmelskörper den gleichen Ursprung haben, dann müssten sie doch auch aus dem gleichen Material bestehen.

Payne aber hat sich die Spektren so genau angesehen wie noch niemand vor ihr. Vor allem aber hat sie bei ihrer Analyse die sogenannte „Ionisation“ berücksichtigt. Die Zahl und Konfiguration der Elektronen in der Hülle eines Atoms ist nicht unveränderlich. Wenn ein Elektron Energie absorbiert kann es sich vom Atomkern entfernen. Wenn ein Elektron absorbierte Energie wieder abgibt, kann es sich dem Kern nähern. Wo es sich genau befindet hängt vom exakten Wert der Energiemenge ab. Und absorbiert ein Elektron ausreichend viel Energie, dann kann es sich auch komplett vom Kern lösen. So ein Atom, das eines oder mehrere Elektronen verloren hat nennt man „ionisiert“. Die entsprechenden mathematischen Zusammenhänge zwischen Temperatur, also der Menge an Energie, und der Ionisation von Atomen hatten der indische Astronom Meghnad Saha und der amerikanische Chemiker Irving Langmuir erst Anfang der 1920er Jahre aufgestellt und Payne war die erste, die sie bei der Spektralanalyse berücksichtigte.

Denn die Ionisation macht die Analyse der Spektrallinien noch einmal komplizierter als sie sowieso schon ist. Eisen hat zum Beispiel 26 Elektronen in seiner Atomhülle. Und je nachdem wie stark ein Eisenatom ionisiert ist, kann es auch Eisen mit 25 Elektronen geben, mit 24, mit 23, und so weiter. Und jedes dieser unterschiedlich ionisierten Eisenatome erzeugt unterschiedliche Spektrallinien. Gleiches gilt für die anderen chemischen Elemente und wenn man die Ionisation nicht berücksichtigt, dann kommt man zu falschen Ergebnissen.

Payne kam in ihrer Doktorarbeit zu dem Ergebnis, dass sich in der Sonne tatsächlich die gleichen Elemente wie auf der Erde finden und tatsächlich in mehr oder weniger den gleichen Verhältnissen. Sie fand allerdings auch das es zwei Elemente in der Sonne gibt die alle anderen komplett dominieren. Vor allem Wasserstoff: Von dem gab es laut Paynes Analyse in der Sonne eine Million mal mehr als von all den anderen Elementen und auch Helium war deutlich häufiger. Die auf der Erde häufigen Elemente waren in der Sonne also eigentlich nur kleine „Verunreinigungen“ und spielten kaum eine relevante Rolle. Die Sonne – und auch die anderen Sterne – bestehen fast komplett aus Wasserstoff, mit ein wenig Helium und verschwindend geringen Mengen der restlichen Elemente. Das bedeutet auch gleichzeitig, dass Wasserstoff und Helium die häufigsten und dominantesten Elemente des Universums sind.

Heute ruft das keine große Überraschung mehr hervor. Schon in der Schule lernt man, dass Wasserstoff und Helium, die beiden einfachsten chemischen Elemente auch die häufigsten des Universums sind und das die Sterne aus diesen beiden Elementen bestehen. Aber wir können es eben nur deswegen in der Schule lernen weil Cecilia Payne es damals herausgefunden hat! Und in den 1920er Jahren war man von dieser Erkenntnis gar nicht so sehr begeistert. Der Astronom Henry Norris Russell, damals und bis heute berühmt durch das von ihm im Jahr 1910 gemeinsam mit Ejnar Hertzsprung entwickelte „Hertzsprung-Russell-Diagramm“, das in der Astronomie von fundamentaler Bedeutung ist wie ich in Folge 6 erklärt habe; dieser berühmte Russell also bedrängte Payne sogar, ihre Schlussfolgerung zurückzuziehen. Das tat Payne zwar nicht, aber sie ließ sich dazu bringen die Schlussfolgerung dass die Sonne hauptsächlich aus Wasserstoff besteht als „scheinbar“ bzw. „nicht echt“ zu bezeichnen. Vier Jahre später kam Russell durch eigene Analysen selbst zu dem Schluss, dass Payne recht hatte. In seiner Publikation über diese Ergebnisse hat er dann zwar auf Paynes Arbeit hingewiesen, aber nur sehr oberflächlich weswegen lange Zeit er als derjenige galt der diese monumentale Entdeckung gemacht hatte…

Cecilia Payne jedenfalls machte trotzdem weiter Karriere in der Astronomie. Sie untersuchte die Helligkeit von Sternen und die Helligkeiten veränderlicher Sterne, wobei sie im Laufe der Zeit über 2 Millionen Beobachtungen zusammentrug. Einen großen Teil dieser Arbeit führte sie mit ihrem Ehemann Sergei Gaposchkin durch, den sie im Jahr 1933 heiratete. Als Frau in der Astronomie hatte sie weiterhin zu kämpfen. Sie erhielt keine offizielle Anstellung an der Sternwarte und war nur „technische Assistentin“ des Direktors Shapley. Der schaffte es aber immerhin sie ab dem Jahr 1938 offiziell als „Astronomin“ zu beschäftigen. Unter dem neuen Direktor der Sternwarte Donald Menzel wurde sie 1956 die erste Frau die an der Uni Harvard eine volle Professur erhielt. Später wurde sie zur Leiterin des Astronomie-Instituts befördert; ebenfalls als erste Frau in Harvard. Sie blieb bis 1966 aktiv Teil der Fakultät; nach ihrer Pensionierung forschte und arbeitete sie aber bis zu ihrem Tod am 7. Dezember 1979 weiter.

Bei einer Preisverleihung im Jahr 1976 – ironischerweise erhielt Cecilia Payne-Gaposchkin damals den „Henry Norris Russell Preis“ der Amerikanischen Astronomischen Gesellschaft – sagte sie: „Die Belohnung für die jungen Wissenschaftler ist der emotionale Nervenkitzel die erste Person in der Geschichte der Welt zu sein die etwas gesehen oder etwas verstanden hat. Nichts lässt sich mit dieser Erfahrung vergleichen“. Und wenn das jemand wissen muss, dann die Person die als erste die Zusammensetzung der Sterne verstanden hat!