Cecilia Payne erkannte, woraus Sterne bestehen – doch teilen durfte sie es nicht

Es ist ein vernichtendes Urteil. "Ganz klar unmöglich", befindet der hochangesehene Astronom Henry Russell, Direktor des Princeton University Observatory im Januar 1925, als ihm eine junge Doktorandin die Erkenntnisse ihrer Dissertation vorlegt. Cecilia Payne will herausgefunden haben, woraus die Sterne bestehen – nämlich zum größten Teil aus Wasserstoff. Das jedoch würde allen bisherigen Annahmen der Astronomie widersprechen. Und überhaupt: Wie könnte einer 25-jährigen Studentin, einer Frau, eine derart große Entdeckung gelingen?

Um den Doktortitel zu bekommen, zweifelt Payne öffentlich ihre eigenen Ergebnisse an, gegen ihre Überzeugung. Später wird sich herausstellen: Die junge Wissenschaftlerin lag völlig richtig. Lange Zeit vergessen und wenig gewürdigt, gilt sie heute als eine der brillantesten Astrophysikerinnen des 20. Jahrhunderts. Ihre Karriere steht symptomatisch für die Hürden von Frauen in der Forschung.

Im Jahr 1900 als Tochter eines Anwalts und einer Malerin in Südengland geboren, hat Cecilia Payne schon als Kind nur einen Berufswunsch: Forscherin. Sie habe Panik gehabt, "alles könnte schon herausgefunden sein, bevor ich alt genug wäre, um anzufangen", schreibt Payne später in ihrer Autobiografie. Als Mädchen geht sie zunächst auf eine katholische Schule. Doch statt sich mit Gott auseinanderzusetzen, versteckt sie ein Platon-Buch in einem Bibel-Einband – und fliegt von der Einrichtung.

1919 geht sie nach Cambridge: Dort dürfen Frauen zwar studieren, erhalten allerdings keinen formalen Abschluss. Sie schreibt sich für Botanik, Physik und Chemie ein, doch dann besucht sie einen Vortrag, der ihr Leben für immer verändert. Der Astrophysiker Arthur Eddington schildert seine Beobachtungen einer Sonnenfinsternis auf der westafrikanischen Insel Principe, mit denen er die Ablenkung des Lichts durch das Gravitationsfeld der Sonne nachweisen kann – und damit Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie bestätigt. "Für drei Nächte, glaube ich, habe ich nicht geschlafen. Meine Welt war so erschüttert, dass ich so etwas wie einen Nervenzusammenbruch erlitt", schreibt Payne. 

Die Astrophysik wird nun ihr Forschungsgebiet. Am renommierten Cavendish-Labor besucht sie Vorlesungen von Niels Bohr und Ernest Rutherford, muss – als einzige Frau – von ihren männlichen Studienkollegen boshafte Kommentare ertragen, bei denen sie sich wünscht, "im Boden zu versinken".

Vor allem Sternenbewegungen begeistern Payne. Sie erkundet am Observatorium mit einem Teleskop den Himmel und lernt, Umlaufbahnen zu berechnen. Nach dem Studium hat sie in England nur eine Möglichkeit: Lehrerin zu werden. Die junge Frau aber will in die Forschung – und reist, mit einem Stipendium ausgestattet, 1923 in die USA zum Observatorium des Harvard-Colleges. 

Dort lagern fast 300.000 Glasplatten mit Teleskopaufnahmen, darunter auch von Sternenspektren. In ihnen ist das Licht eines Sterns nach seinen Farben – physikalisch gesprochen: nach seinen Wellenlängen – aufgespalten. Die Spektren offenbaren, dass ein Stern nicht Licht jedweder Farbe gleichmäßig ausstrahlt. Im Gegenteil fehlen immer mal bestimmte Wellenlängen. Welche, unterscheidet sich von Stern zu Stern. Das Spektrum offenbart ein unverwechselbares Charakteristikum eines Himmelskörpers, seine Signatur. Verantwortlich dafür sind unter anderem die chemischen Elemente, die Licht ganz bestimmter Wellenlängen einfangen.

Payne widmet sich ausgiebig den Glasplatten und erkennt in den Spektren etwas, was anderen Forschenden entgangen war: Kurz zuvor hatte der indische Physiker Meghnad Saha die Theorie aufgestellt, dass die Temperaturen eines Sterns die Zusammensetzung des Spektrums beeinflussen. Diesen Ansatz testet Payne in der Praxis. 

Tatsächlich kann sie durch ihre Analyse von Hunderten Spektren nachweisen, dass die Muster nicht nur auf die Menge chemischer Elemente in den Sternen hinweisen, sondern auch auf unterschiedliche Temperaturen. Mehr noch: Der Doktorandin gelingt es, die Spektren vollständig zu "entziffern" – und aus ihnen Rückschlüsse auf die chemische Zusammensetzung von Himmelskörpern zu schließen.

Das Ergebnis ist eine Sensation: Paynes Berechnungen zufolge scheint Wasserstoff in den Sternen etwa eine Million Mal häufiger vertreten als auf der Erde. Auch Helium ist in den Sternatmosphären stark verbreitet. Ausgerechnet die beiden leichtesten Elemente also sind die Stoffe, die im Universum am häufigsten vorkommen – nicht etwa schwere Metalle. Das Problem an Paynes Ergebnissen: Die Astronomen jener Zeit sind fest davon überzeugt, dass das gesamte Universum größtenteils aus den gleichen Elementen besteht wie die Erde – etwa Silizium, Aluminium, Magnesium und Eisen.

Und so lehnt der renommierte Astronom Henry Russell die Schlussfolgerung von Cecilia Payne im Januar 1925 kurzerhand ab. Die Doktorandin, von der Anerkennung des Wissenschaftlers abhängig, relativiert ihr Ergebnis. "Almost certainly not real" – "fast sicher nicht richtig" – seien die reichen Wasserstoff- und Helium-Vorkommen aus ihren Berechnungen in den Sternen, schreibt sie in ihrer Dissertation "Stellar Atmospheres". Weil ihre Ergebnisse schlicht nicht wahr sein durften. 

Und so erhält Payne zwar den Doktortitel zugesprochen, der Ruhm für ihre bahnbrechende Entdeckung aber bleibt ihr versagt. Genauso wie ein Karrieresprung in Harvard: Obwohl sie Astronomiekurse gibt, ist sie formal eine "technische Assistentin".

1929 veröffentlicht Henry Russell einen Aufsatz zur Zusammensetzung der Sonne und anderer Sterne – und kommt nun zum gleichen Ergebnis wie zuvor Payne. Der Wissenschaftler schreibt, dass "die große Häufigkeit von Wasserstoff kaum angezweifelt werden kann." Er zitiert Paynes Studie, seine früheren Zweifel übergeht er jedoch geflissentlich. Jetzt setzt sich die Erkenntnis, dass Wasserstoff und Helium die häufigsten Elemente im Universum sind, als Tatsache durch.

1956 wird Payne doch noch Professorin – als erste Frau in Harvard. Und 20 Jahre später verleiht ihr die American Astronomical Society für ihr Lebenswerk die "Henry Russell Lectureship" – einen Preis, benannt ausgerechnet nach dem Mann, der einst Paynes Forschung angezweifelt hatte. In ihrer Dankesrede gibt sie angehenden Forschenden den Rat: "Unternimm keine wissenschaftliche Karriere, um Geld zu verdienen oder berühmt zu werden. Bemühe dich um eine wissenschaftliche Karriere nur, wenn dich nichts anderes befriedigt." Drei Jahre später, am 7. Dezember 1979 stirbt Cecilia Payne.