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Cecilia Payne-Gaposchkin kam als Kind eines britischen Anwalts und seiner preußischen Ehefrau in einer Kleinstadt in Buckinghamshire zur Welt. Schon vier Jahre später starb der Vater und ließ die Mutter mit der Versorgung ihrer drei Kinder alleine zurück. 1912 zog die Familie nach London, damit der jüngere Bruder Humfry eine bessere Schulbildung erhalten konnte. Cecilia besuchte zunächst eine Schule, auf der es ihr als Mädchen nicht möglich war, sich mit Mathematik und den Wissenschaften zu befassen. Mit 18 Jahren wechselte sie jedoch auf die St. Paul’s Girls‘ School; ihr Lehrer Gustav Holst drängte sie eigentlich, eine Karriere in der Musik zu verfolgen, doch Cecilia interessierte sich mehr für die Wissenschaft. Sie gewann schließlich ein Stipendium über sämtliche Studienkosten am Newnham College (noch heute ein reines Fraueninstitut) an der University of Cambridge. Sie begann ein Studium der Physik, Chemie und Botanik, letzteres ließ sie jedoch nach dem ersten Jahr fallen.

Der Wendepunkt, der sie zur Astronomie brachte, war eine Vorlesung von Arthur Eddington. Der Astrophysiker hatte eine zur Sonnenfinsternis am 29. Mai 1919 eine Expedition in die Verfinsterungszone, nach Principe im Golf von Guinea, unternommen, um mit den Beobachtungen von Himmelskörpern während der Sonnenfinsternis Einsteins Relativitätstheorie zu prüfen. Die Erkenntnisse, die er in seiner Vorlesung präsentierte, erschütterten Cecilia Paynes Weltbild, sodass sie sich von nun an mit Himmelskörpern befasste. Ihr war jedoch klar, dass sie im Vereinigten Königreich als Frau keine berufliche Laufbahn außerhalb einer Lehrtätigkeit verfolgen konnte, daher suchte sie nach einer Möglichkeit, in die USA zu gehen. 1923 lernte sie Harlow Shapley kennen, der kurz zuvor ein Graduiertenprogramm in Astronomie am Harvard-College-Observatorium eingerichtet hatte. Mit Hilfe eines Stipendiums, das ausdrücklich Frauen vorbehalten war, wurde ihr dieses postgraduale Studium ermöglicht. Die einzige Frau vor ihr in diesem Programm war Adelaide Ames, während ihres Studiums arbeitete Payne dort mit Annie Jump Cannon zusammen.

Mit nur 25 Jahren machte Cecilia Payne bereits ihre wichtigste Entdeckung, die auch für die Astronomie von entscheidender Bedeutung war. Für ihre Dissertation untersuchte sie Sternspektren, also die Zusammensetzung und Verteilung des Lichtes von Himmelskörpern. Sie konnte zunächst schon einmal die Spektralklassen, also Farbtemperaturen unterschiedlicher Sterne, ihren korrekten Oberflächentemperaturen zuordnen, indem sie die Ionisierungstheorie von Meghnad Saha anwandte. Elemente werden ionisiert, wenn zum Beispiel durch erhöhte Temperatur (thermische Ionisation) Elektronen aus den Atomen herausgelöst werden und diese als positive Ionen zurückbleiben. Die Saha-Gleichung setzt den Ionisierungsgrad eines Elements mit seinem Erhitzungsgrad in Bezug. Aufgrund dieser korrekten Zuordnung konnte Payne nachweisen, dass die untersuchten Sterne hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium bestanden.

Bis dahin war die akzeptierte wissenschaftliche Theorie, dass alle Himmelskörper zu gleichen Teilen aus den gleichen Elementen zusammengesetzt seien, dass also zum Beispiel die Erde, wenn sie auf die Temperatur der Sonne erhitzt würde, die gleiche Spektralklasse wie diese hätte. Payne bewies, dass die unterschiedlichen Spektrallinien verschiedener Sterne nicht auf das Vorhandensein von verschiedenen Elementen zurückzuführen ist, sondern darauf, dass in unterschiedlichen Temperaturen die gleichen Elemente – Wasserstoff und Helium – unterschiedlich ionisiert werden. Zwar weisen auch die leuchtenden Himmelskörpern eine Metallizität auf, enthalten also Silizium, Kohlenstoff und andere herkömmliche Elemente, die auch auf der Erde zu finden sind, und sogar in einem ähnlichen Verhältnis zueinander. In ihrer Dissertation belegte Cecilia Payne jedoch, dass die beiden ersten, einfachsten Elemente des Periodensystems auch die häufigsten im Universum sind, im Fall von Wasserstoff etwa um das Millionenfache häufiger als die anderen Elemente.

Weil ihre Ergebnisse der gängigen wissenschaftlichen Annahme wiedersprachen, musste Payne ihre Aussagen kurz darauf als „fadenscheinig“ zurückziehen. Henry Norris Russell, der Harlow Shapleys Lehrer gewesen war, setzte sie dahingehend unter Druck; vier Jahre später bestätigte er Paynes Behauptung jedoch, was wiederum George Gamow zu der korrekten Vermutung führte, dass die Kernfusion in unserer Sonne durch das Verhältnis von vier Wasserstoffkernen zu einem Heliumkern befeuert wird. Cecilia Paynes Dissertation erhielt auch ihre Ehrung, als Otto von Struve sie als „die brillianteste Doktorarbeit, die jemals im Fach der Astronomie geschrieben wurde“ bezeichnete.

Auch nach ihrer Promotion erforschte Payne weiterhin die Leuchtkraft von Himmelskörpern. 1930 ließ ihrer inzwischen rehabilitierten Dissertation das Wer „Sterne von hoher Leuchtkraft“ („The Stars of High Luminosity„) folgen. Dieses Werk sollte die Grundlage für alle weiteren Forschungen an den darin besprochenen Sternen werden. Sie wurde 1931 amerikanische Staatsbürgerin, 1933 lernte sie den russisch geborenen Astrophysiker Sergej Gaposchkin kennen und heiratete ihn 1934. Über all diese Jahre blieb sie als akademische Kraft in Harvard, wo sie allerdings aufgrund der Geschlechterdiskriminierung nicht als Professor, sondern nur in weniger prestigeträchtigen und vor allem schlechter bezahlten Positionen tätig sein konnte. Ihr Mentor Shapley setzte sich für sie ein, sodass sie zunächst 1938 offiziell den Titel „Astronomin“ am Observatorium führte. 1943 wurde sie als Fellow in der American Academy of Arts and Sciences aufgenommen, ihre Universität listete ihre Kurse dennoch zwei weitere Jahre nicht im Vorlesungsverzeichnis.

Als 1954 Donald Menzel der Direktor des Observatoriums wurde, verwendete er sich für eine bessere Stellung Payne-Gapschkins, und so wurde sie 1956, 27 Jahre nach ihrer Promotion, zur ordentlichen Professorin – der ersten weiblichen für Astronomie an der Universität Harvard. Später wurde sie die erste weibliche Fachbereichsleiterin am gleichen Institut. Zehn Jahre später emeritierte sie bereits, forschte allerdings als Angestellte des Smithsonian Astrophysical-Observatory weitere 20 Jahre und lektorierte dessen Veröffentlichung in dieser Zeit.

Kurz nachdem sie im Selbstverlag ihre Autobiografie herausgebracht hatte, starb sie 1979 mit 79 Jahren. Ihre Tochter, mittleres Kind von dreien, erinnerte sich an sie als eine „begeisterte Schneiderin, erfinderische Strickerin und unersättliche Leserin“. Ihre Autobiografie ist leider nur auf Englisch zu haben, doch erreicht bei Goodreads 4,52 von 5 Sternen.

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