Cecilia Payne-Gaposchkin

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Cecilia Helena Payne-Gaposchkin war eine in Großbritannien geborene amerikanische Astronomin und Astrophysikerin, die in ihrer Doktorarbeit von 1925 vorschlug, dass Sterne hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium bestehen. Ihre bahnbrechende Schlussfolgerung wurde zunächst abgelehnt, da sie der wissenschaftlichen Überzeugung der Zeit widersprach, wonach es keine signifikanten Elementunterschiede zwischen der Sonne und der Erde gab. Unabhängige Beobachtungen bewiesen schließlich, dass sie recht hatte.

Frühe Jahre

Cecilia Helena Payne war eines von drei Kindern, die in Wendover in Buckinghamshire, England, geboren wurden, von Emma Leonora Helena geb. Pertz und Edward John Payne, einem Londoner Barrister, Historiker und Musiker, der Fellow an der Universität Oxford gewesen war. Ihre Mutter stammte aus einer preußischen Familie und hatte zwei renommierte Onkel, den Historiker Georg Heinrich Pertz und den Swedenborg-Schriftsteller James John Garth Wilkinson; ihre Schwester Florence war Pianistin. Cecilias Vater starb, als sie vier Jahre alt war, was ihre Mutter zwang, die Familie allein großzuziehen.

Cecilia Payne begann ihre Schulausbildung in Wendover an einer Privatschule unter der Leitung von Elizabeth Edwards. Als sie zwölf Jahre alt war, zog ihre Mutter nach London, um der Schulbildung ihres Bruders Humfry willen, der später Archäologe wurde. Cecilia besuchte die St Mary's College in Paddington, wo sie nicht viel Mathematik oder Naturwissenschaften studieren konnte, aber 1918 wechselte sie zur St Paul's Girls' School. Dort wurde sie von Gustav Holst, der Musik in der Schule unterrichtete, ermutigt, eine Karriere in der Musik zu verfolgen, aber sie bevorzugte es, sich auf Wissenschaft zu konzentrieren. Im folgenden Jahr gewann sie ein Stipendium, das alle ihre Ausgaben am Newnham College der Universität Cambridge bezahlte, wo sie zunächst Botanik, Physik und Chemie studierte, aber nach ihrem ersten Jahr mit Botanik aufhörte. Ihr Interesse an der Astronomie begann, nachdem sie einen Vortrag von Arthur Eddington über seine Expedition 1919 auf die Insel Príncipe im Golf von Guinea vor der Westküste Afrikas hörte, um Sterne in der Nähe einer Sonnenfinsternis zu beobachten und zu fotografieren, als Test von Albert Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie. Sie sagte über den Vortrag: „Das Ergebnis war eine vollständige Umwandlung meines Weltbildes. Meine Welt war so erschüttert worden, dass ich etwas erlebte, das einem Nervenzusammenbruch sehr ähnlich war." Sie beendete ihre Studien, erhielt aber keinen Abschluss wegen ihres Geschlechts; Cambridge verlieh Frauen erst 1948 Abschlüsse.

Payne erkannte, dass ihre einzige Karriereoption im Vereinigten Königreich darin bestand, Lehrerin zu werden, also suchte sie nach Stipendien, die es ihr ermöglichen würden, in die Vereinigten Staaten zu ziehen. Nach einer Einführung bei Harlow Shapley, dem Direktor des Harvard College Observatory, wo er gerade ein Graduiertenprogramm in Astronomie gegründet hatte, verließ sie England 1923. Dies wurde durch ein Stipendium ermöglicht, das Frauen ermutigen sollte, am Observatory zu studieren. Adelaide Ames war 1922 die erste Studierende des Stipendiums; die zweite war Payne.

Doktorarbeit

Shapley überredete Payne, eine Doktorarbeit zu schreiben, und so wurde sie 1925 die erste Person, die einen PhD in Astronomie vom Radcliffe College der Harvard University erhielt. Der Titel ihrer These war Stellar Atmospheres; A Contribution to the Observational Study of High Temperature in the Reversing Layers of Stars.

Payne war in der Lage, die Spektralklassen von Sternen genau mit ihren tatsächlichen Temperaturen zu korrelieren, indem sie die von dem indischen Physiker Meghnad Saha entwickelte Ionisierungstheorie anwendete. Sie zeigte, dass die große Variation in Sternabsorptionslinien auf unterschiedliche Ionisierungsmengen bei unterschiedlichen Temperaturen zurückzuführen war, nicht auf unterschiedliche Elementmengen. Sie fand heraus, dass Silizium, Kohlenstoff und andere häufige Metalle im Sonnenspektrum in etwa denselben relativen Mengen vorhanden waren wie auf der Erde, in Übereinstimmung mit der akzeptierten Überzeugung der Zeit, wonach die Sterne eine ungefähr gleiche Elementzusammensetzung wie die Erde hatten. Sie fand jedoch heraus, dass Helium und besonders Wasserstoff um ein Vielfaches reichlicher vorhanden waren – für Wasserstoff um einen Faktor von etwa einer Million. Ihre These kam zu dem Schluss, dass Wasserstoff der überwiegende Bestandteil von Sternen war (siehe Metallizität), was ihn zum häufigsten Element im Universum machte.

Als jedoch Paynes Dissertation überprüft wurde, überredete der Astronom Henry Norris Russell, der sich an die Theorien des amerikanischen Physikers Henry Rowland hielt, sie davon ab, zu dem Schluss zu kommen, dass die Zusammensetzung der Sonne überwiegend Wasserstoff war, da dies dem aktuellen wissenschaftlichen Konsens widersprechen würde, dass die Elementzusammensetzung der Sonne und der Erde ähnlich waren. 1914 hatte er in einem wissenschaftlichen Artikel geschrieben:

Die Übereinstimmung der Solar- und Terrestriallisten ist so beschaffen, dass sie Rowlands Ansicht sehr stark bestätigt, dass, wenn die Erdkruste auf die Temperatur der Sonnenatmosphäre erhitzt würde, ein sehr ähnliches Absorptionsspektrum ergeben würde. Die Spektren der Sonne und anderer Sterne waren ähnlich, daher schien es, dass die relative Häufigkeit der Elemente im Universum der in der Erdkruste ähnlich war.

Die Übereinstimmung der Solar- und Terrestriallisten ist so beschaffen, dass sie Rowlands Ansicht sehr stark bestätigt, dass, wenn die Erdkruste auf die Temperatur der Sonnenatmosphäre erhitzt würde, ein sehr ähnliches Absorptionsspektrum ergeben würde. Die Spektren der Sonne und anderer Sterne waren ähnlich, daher schien es, dass die relative Häufigkeit der Elemente im Universum der in der Erdkruste ähnlich war.

Payne beschrieb ihre Ergebnisse daher als „verfälscht". Einige Jahre später beschrieb der Astronom Otto Struve ihre Arbeit als „die brillanteste Doktorarbeit, die jemals in der Astronomie geschrieben wurde". Russell erkannte später auch, dass sie recht hatte, als er dieselben Ergebnisse auf verschiedene Weise ableitete. 1929 veröffentlichte er seine Ergebnisse in einem Artikel, der Paynes früheres Werk und ihre Entdeckung bewundernd würdigte; dennoch wird ihm oft Anerkennung für die Schlussfolgerungen gegeben, die sie gezogen hatte.

Karriere

Nach ihrer Doktorarbeit studierte Payne Sterne mit hoher Leuchtkraft, um die Struktur der Milchstraße zu verstehen. Später untersuchte sie alle Sterne heller als die zehnte Größenordnung. Anschließend studierte sie variable Sterne und machte über 1.250.000 Beobachtungen mit ihren Assistenten. Diese Arbeit wurde später auf die Magellanschen Wolken ausgedehnt, was 2.000.000 weitere Beobachtungen variabler Sterne hinzufügte. Diese Daten wurden verwendet, um die Bahnen der Sternentwicklung zu bestimmen. Sie veröffentlichte ihre Schlussfolgerungen in ihrem zweiten Buch The Stars of High Luminosity 1930. Ihre Beobachtungen und Analysen variabler Sterne, die sie mit ihrem Ehemann Sergei Gaposchkin durchführte, legten die Grundlage für alle nachfolgenden Arbeiten zu solchen Objekten.

Payne-Gaposchkin blieb während ihres ganzen Lebens wissenschaftlich aktiv und verbrachte ihre gesamte akademische Karriere an der Harvard University. Als sie anfing, waren Frauen an der Harvard University nicht zum Professor ernennbar, also verbrachte sie Jahre damit, weniger prestigeträchtige, schlecht bezahlte Forschungsstellen zu bekleiden. Nichtsdestotrotz führte ihre Arbeit zu mehreren veröffentlichten Büchern, darunter The Stars of High Luminosity 1930, Variable Stars 1938 und Variable Stars and Galactic Structure 1954. Shapley hatte sich bemüht, ihre Position zu verbessern, und 1938 erhielt sie den Titel „Astronomer". Auf Paynes Anfrage wurde ihr Titel später in Phillips Astronomer geändert. Sie wurde 1943 zur Fellow der American Academy of Arts and Sciences gewählt. Ihre Kurse wurden erst 1945 im Harvard University Katalog aufgeführt.

Als Donald Menzel 1954 Direktor des Harvard College Observatory wurde, versuchte er, ihre Ernennung zu verbessern, und 1956 wurde sie die erste Frau, die innerhalb der Fakultät zur ordentlichen Professorin befördert wurde, an der Harvard's Faculty of Arts and Sciences. Später, mit ihrer Ernennung zum Vorsitz der Abteilung für Astronomie, wurde sie auch die erste Frau, die eine Abteilung an der Harvard University leitete.

Ihre Studierenden waren Helen Sawyer Hogg, Joseph Ashbrook, Frank Drake, Harlan Smith und Paul W. Hodge, die alle wichtige Beiträge zur Astronomie leisteten. Sie betreute auch Frank Kameny, der ein prominenter Verfechter von Schwulenrechten wurde.

Payne-Gaposchkin zog sich 1966 vom aktiven Unterricht zurück und wurde anschließend zur Emeritus-Professorin von Harvard ernannt. Sie setzte ihre Forschung als Mitarbeiterin am Smithsonian Astrophysical Observatory fort und redigierte zwei Jahrzehnte lang die vom Harvard Observatory veröffentlichten Zeitschriften und Bücher.

Vermächtnis

Paynes Karriere markierte einen Wendepunkt am Harvard College Observatory. Unter der Leitung von Harlow Shapley und Dr. E. J. Sheridan, den Payne-Gaposchkin als Mentor beschrieb, hatte das Observatorium bereits mehr Möglichkeiten in der Astronomie für Frauen geboten als andere Institutionen, und bemerkenswerte Erfolge waren bereits früher im Jahrhundert von Williamina Fleming, Antonia Maury, Annie Jump Cannon und Henrietta Swan Leavitt erzielt worden. Mit Paynes PhD traten Frauen jedoch in den Mainstream ein.

Der Pfad, den sie in die weitgehend männerdominierte wissenschaftliche Gemeinschaft bahnte, war eine Inspiration für viele. So wurde sie zum Vorbild für die Astrophysikerin Joan Feynman. Feynmans Mutter und Großmutter hatten sie von der Verfolgung von Wissenschaft abgeraten, da sie glaubten, dass Frauen nicht physisch in der Lage seien, wissenschaftliche Konzepte zu verstehen. Feynman wurde später von Payne-Gaposchkin inspiriert, als sie auf einige ihrer Arbeiten in einem Astronomielehrbuch stieß. Dass Paynes-Gaposchkins Forschung auf diese Weise veröffentlicht war, überzeugte Feynman, dass sie tatsächlich ihren wissenschaftlichen Leidenschaften nachgehen konnte.

Während sie den Henry Norris Russell Prize der American Astronomical Society annahm, sprach Payne über ihre lebenslange Leidenschaft für Forschung: „Die Belohnung des jungen Wissenschaftlers ist der emotionale Nervenkitzel, die erste Person in der Geschichte der Welt zu sein, die etwas sieht oder versteht. Nichts kann sich mit dieser Erfahrung messen. Die Belohnung des alten Wissenschaftlers ist das Gefühl, dass eine vage Skizze zu einer meisterhaften Landschaft geworden ist."

Persönliches Leben

In ihrer Autobiografie erzählt Payne, dass sie während ihrer Schulzeit ein Experiment zur Wirksamkeit des Gebets durchführte, indem sie ihre Prüfungen in zwei Gruppen aufteilte und nur bei einer betete, während die andere eine Kontrollgruppe war. Sie erreichte in der letzteren Gruppe die höheren Noten. Später wurde sie Agnostikerin.

1931 wurde Payne amerikanische Bürgerin. Bei einer Europareise 1933 traf sie den in Russland geborenen Astrophysiker Sergei I. Gaposchkin in Deutschland. Sie half ihm, ein Visum für die Vereinigten Staaten zu erhalten, und sie heirateten im März 1934 und ließen sich in der historischen Stadt Lexington, Massachusetts, nieder, eine kurze Pendelstrecke von Harvard entfernt. Payne fügte den Namen ihres Mannes zu ihrem hinzu, und die Payne-Gaposchkins bekamen drei Kinder: Edward, Katherine und Peter. Paynes Tochter erinnert sich an sie als „eine inspirierte Näherin, eine erfinderische Strickerin und eine gefräßige Leserin". Payne und ihre Familie waren Mitglieder der First Unitarian Church in Lexington, wo Cecilia Sonntagsschule unterrichtete. Sie war auch aktiv bei den Quäkern. Sie starb am 7. Dezember 1979 in ihrem Zuhause in Cambridge, Massachusetts. Kurz vor ihrem Tod ließ Payne ihre Autobiografie privatdruck unter dem Titel The Dyer's Hand drucken. Sie wurde später als Cecilia Payne-Gaposchkin: An Autobiography and Other Recollections nachgedruckt.

Paynes jüngerer Bruder Humfry Payne (1902–1936), der die Autorin und Filmkritikerin Dilys Powell heiratete, wurde Direktor der British School of Archaeology in Athens. Paynes Enkelin Cecilia Gaposchkin ist Professorin für spätmittelalterliche Kulturgeschichte und französische Geschichte am Dartmouth College.

Ehren und Auszeichnungen

• Gewähltes Mitglied der Royal Astronomical Society als noch Studentin in Cambridge 1923
• Annie J. Cannon Award in Astronomy 1934 – erste Preisträgerin
• Mitglied der American Philosophical Society 1936
• Mitglied der American Academy of Arts and Sciences 1943
• Award of Merit vom Radcliffe College 1952
• Rittenhouse Medal von der Rittenhouse Astronomical Society am Franklin Institute 1961
• Professor Emerita der Harvard University 1967
• Henry Norris Russell Lectureship der American Astronomical Society 1976
• The American Physical Society's Doctoral Dissertation Award in Astrophysics umbenannt in Cecilia Payne-Gaposchkin Doctoral Dissertation Award in Astrophysics 2018
• Ehrendoktorate von der Rutgers University, Wilson College, Smith College, Western College, Colby College und dem Women's Medical College of Pennsylvania
• Asteroid 2039 Payne-Gaposchkin wurde nach ihr benannt
• Der Payne-Gaposchkin Patera Vulkan auf der Venus ist nach ihr benannt.
• Eines der in Südafrika eingesetzten ASAS-SN-Teleskope wurde nach ihr benannt.
• Institute of Physics Cecilia Payne-Gaposchkin Medal and Prize zu ihrer Ehre benannt 2008.

Ausgewählte Bibliografie

Veröffentlichte akademische Bücher:

• The Stars of High Luminosity 1930
• Variable Stars 1938
• Variable Stars and Galactic Structure 1954
• Introduction to Astronomy 1954
• The Galactic Novae 1957

Bedeutende Forschungsarbeiten:

• —— 1936, "On the Physical Condition of the Supernovae", Proceedings of the National Academy of Sciences, 22 6: 332–6, Bibcode:1936PNAS...22..332P, doi:10.1073/pnas.22.6.332, JSTOR 86556, PMC 1076773, PMID 16588077
• Whipple, F. L.; —— 1936, "On the Bright Line Spectrum of Nova Herculis", Proceedings of the National Academy of Sciences, 22 4: 195–200, Bibcode:1936PNAS...22..195W, doi:10.1073/pnas