Cecilia Payne-Gaposchkin: de vrouw die ontdekte waar sterren van zijn gemaakt

Portret van Cecilia Payne-Gaposchkin. Bron: Science Service-collectie, Smithsonian Institution Archives. Beeldbron en rechteninformatie · geen bekende auteursrechtelijke beperkingen.

Waar zijn sterren eigenlijk van gemaakt? Honderd jaar geleden leek het antwoord voor de hand te liggen: ongeveer van dezelfde elementen als de aarde. Cecilia Payne-Gaposchkin liet in haar proefschrift uit 1925 zien dat dit beeld niet klopte. Sterren bestaan voor het overgrote deel uit waterstof en helium. Die conclusie veranderde de sterrenkunde in moderne astrofysica.

Kerngegevens

Naam: Cecilia Helena Payne-Gaposchkin
Leefde: 10 mei 1900 – 7 december 1979
Vakgebied: sterrenkunde en astrofysica
Bekend van: de chemische samenstelling van sterren en onderzoek aan veranderlijke sterren

Van Cambridge naar Harvard

Payne werd geboren in het Engelse Wendover. Ze studeerde natuurkunde en sterrenkunde aan de Universiteit van Cambridge. Een lezing van Arthur Eddington over de zonsverduistering van 1919 en de toetsing van Einsteins algemene relativiteitstheorie hielp haar belangstelling voor sterrenkunde vorm te geven.

Cambridge kende vrouwen in die tijd geen volwaardig diploma toe. In 1923 vertrok Payne daarom naar de Verenigde Staten, waar Harlow Shapley haar een beurs bood aan het Harvard College Observatory. Daar werkte ze met de enorme verzameling sterrenspectra die mede door de vrouwen van het observatorium was opgebouwd.

Licht als chemische vingerafdruk

Een spectrum ontstaat wanneer sterrenlicht wordt uitgesplitst in golflengten. Donkere en heldere lijnen verraden welke atomen in de atmosfeer van een ster licht opnemen of uitzenden. Astronomen dachten aanvankelijk dat grote verschillen tussen spectra vooral betekenden dat sterren uit verschillende hoeveelheden elementen bestonden.

Payne paste de ionisatietheorie van de Indiase natuurkundige Meghnad Saha toe. Daarmee kon ze laten zien dat temperatuur bepaalt hoeveel elektronen atomen verliezen en dus welke spectraallijnen zichtbaar worden. Verschillende spectra hoeven daarom niet te betekenen dat sterren totaal anders zijn samengesteld.

Een conclusie die te groot leek

Uit haar berekeningen volgde iets onverwachts: waterstof en helium kwamen in sterren veel vaker voor dan elementen zoals ijzer, silicium en zuurstof. Dat botste met het toen gangbare idee dat de zon ongeveer dezelfde samenstelling had als de aarde.

De invloedrijke astronoom Henry Norris Russell vond de conclusie aanvankelijk onwaarschijnlijk. Payne formuleerde haar uitkomst daardoor voorzichtig in haar proefschrift. Enkele jaren later kwam Russell op basis van ander onderzoek tot dezelfde hoofdconclusie. De sterrenkundige gemeenschap accepteerde vervolgens dat waterstof het dominante element in sterren is.

Dit verhaal wordt soms verteld alsof één briljante berekening onmiddellijk alle twijfel wegnam. De werkelijkheid was wetenschappelijker én menselijker: nieuwe theorie, nauwkeurige spectra en onafhankelijke bevestiging moesten samen een oud wereldbeeld vervangen.

Meer dan één ontdekking

Payne-Gaposchkin bleef haar hele loopbaan aan Harvard verbonden. Ze onderzocht lichtkrachtige en veranderlijke sterren en gebruikte grote reeksen waarnemingen om meer te begrijpen van sterevolutie en de structuur van de Melkweg en de Magelhaense Wolken.

In 1956 werd zij de eerste vrouw die binnen Harvards Faculty of Arts and Sciences tot hoogleraar werd benoemd. Ze werd ook de eerste vrouw die er een afdeling leidde. Daarmee was haar invloed niet alleen wetenschappelijk: haar loopbaan doorbrak grenzen voor vrouwen die na haar kwamen.

Waarom zij bij de pioniers hoort

Cecilia Payne-Gaposchkin maakte van een sterrenspectrum een betrouwbaar verhaal over temperatuur en samenstelling. Haar werk liet zien dat het heelal chemisch heel anders is opgebouwd dan de rotsachtige wereld onder onze voeten doet vermoeden.

Waterstof is niet zomaar een element tussen vele andere. Het is de belangrijkste zichtbare bouwstof van sterren en daarmee van het licht dat een groot deel van het heelal vult. Dat wij dit nu als basiskennis beschouwen, is misschien wel het duidelijkste bewijs van de betekenis van haar werk.