Proto­galaxien und frühe Simulationen

Die Episode über Sternpopulationen in Galaxien und wie eine Astronomin die Kosmologie revolutionierte

Kurz nach dem internationel Frauentag reden wir über eine ganz besondere Frau aus der Astronomie. Beatrice Tinsley hat unsere Sicht auf die Galaxien revolutioniert und gezeigt, dass sie keine statischen Objekte sind. Galaxien altern und verändern sich. Dieses Wissen hat auch den Blick auf die Entwicklung des gesamten Universums verändert. Trotzdem hat es lange Zeit gebraucht, bis man die Bedeutung von Tinsleys Arbeit erkannt hat und auch heute ist diese revolutionäre Astronomin viel zu unbekannt. Also hört euch diese Epsisode an, damit sich das ändert.

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Sophie Adenot auf dem Weg ins All

Sophie Adenot, die erste Berufsastronautin der neuen ESA-Abschlussklasse von 2024, ist am 13. Februar zu einer neunmonatigen Mission zur ISS aufgebrochen. Sie ist erst die zweite Französin im All, hat am MIT studiert, eine militärische Laufbahn als Pilotin absolviert, war in Afghanistan und Libyen im Einsatz und wurde als Oberstleutnant die erste Hubschrauber-Testpilotin Frankreichs. Bei so einer Karriere kann man schon mal neidisch werden, obwohl wir beide ja eigentlich eh nicht ins All fliegen wollen. Mehr über Sophie Adenot kann man in diesem Podcast der ESA erfahren

Beatrice Tinsley, die vergessene Entdeckerin der galaktischen Evolution

Im Hauptteil erzählt Elka die Geschichte von Beatrice Tinsley, einer Astronomin, die mit ihrer Dissertation die Kosmologie revolutionierte und viel zu früh starb. Sie wird als Beatrice Muriel Hill 1941 in Chester in England geboren. Kurz darauf wandert ihre Familie nach Neuseeland aus. Sie wächst in einem akademisch geprägten Umfeld auf, ihr Vater ist Geistlicher. Schon früh fällt sie durch ihre große Begabung in Mathematik und Physik auf. Bereits mit 14 Jahren steht für sie fest, dass sie Astronomie studieren will. Außerdem ist sie musikalisch und spielt Violine. In einer Zeit, in der Physik für Frauen noch keineswegs ein typisches Studienfach ist, studiert sie an der University of Canterbury und schließt dort bereits mit 20 Jahren ihren Master ab. Dort lernt sie auch den Physiker Brian Tinsley kennen, den sie später heiratet. Gemeinsam adoptieren sie später zwei Kinder.

Als sie ihrem Mann nach Texas folgt, gerät ihre wissenschaftliche Laufbahn zunächst fast zum Stillstand. An den Universitäten dort gilt ein Anti-Nepotismus-Gesetz, das verhindert, dass Ehepartner an derselben Hochschule angestellt werden. Trotzdem schreibt sie an der University of Texas in Austin ihre heute berühmte Dissertation in nur drei Jahren, also in etwa einem Drittel der üblichen Zeit. Diese Arbeit gehört heute zu den wichtigsten Grundlagenwerken der modernen Kosmologie. Tinsley zeigt darin, dass Galaxien keine statischen, unveränderlichen Systeme sind. Bis dahin wurden Galaxien oft so behandelt, als seien sie ewig gleichbleibende Objekte. Tinsley dagegen konnte nachweisen, dass Galaxien geboren werden, sich entwickeln und altern.

Gerade in den 1960er-Jahren ist die Kosmologie ein Fach im Umbruch. Die Urknalltheorie setzt sich zunehmend durch, doch viele zentrale Fragen sind noch offen, etwa wie alt das Universum tatsächlich ist. Tinsley erkennt, dass Helligkeit und Farbe von Galaxien stark davon abhängen, welche Sterne sich gerade in ihnen befinden. Junge Sterne sind heiß, blau und sehr leuchtkräftig. Alte Sterne sind kühler und rötlicher. Wenn in einer Galaxie viele neue Sterne entstehen, erscheint sie heller und blauer. Hört die Sternentstehung auf, altert die Galaxie auch sichtbar. Wer also eine Galaxie beobachtet, sieht immer nur eine Momentaufnahme ihrer Entwicklung. Genau das war eine fundamentale Erkenntnis, denn damit wurde klar, dass Galaxien nicht einfach als kosmische Standardkerzen behandelt werden können. Will man wissen, wie weit entfernt eine Galaxie ist, muss man also auch wissen, in welchem Entwicklungszustand sie sich befindet.

Aus dieser Einsicht entwickelt Tinsley ihre bahnbrechenden Modelle der sogenannten Populationsynthese. Weil wir in fernen Galaxien einzelne Sterne meist nicht getrennt erkennen können, sehen wir nur ihr gemischtes Gesamtlicht. Tinsley hat berechnet, wie unterschiedliche Sterngenerationen gemeinsam die Farbe und Helligkeit einer Galaxie bestimmen. Damit verbindet sie die Lebenszyklen einzelner Sterne mit dem Erscheinungsbild ganzer Galaxien. So entsteht erstmals ein Werkzeug, mit dem sich aus dem beobachteten Licht auf die Geschichte einer Galaxie schließen lässt. Sie zeigt unter anderem, dass blaue Galaxien eher jung sind, während rote Galaxien viele alte, sterbende Sterne enthalten. Diese evolutionäre Sicht auf Galaxien entwickelt sie weitgehend allein und unter äußerst schwierigen Bedingungen.

Denn trotz ihres außergewöhnlichen Talents bekommt sie lange keine feste akademische Stelle. Zeitweise arbeitet sie sogar ohne Bezahlung, veröffentlicht dennoch wissenschaftliche Artikel und treibt ihre Dissertation voran. Ihre Forschung entsteht oft zwischen Kinderbetreuung, fehlender institutioneller Unterstützung und knappen Ressourcen. Schließlich trennt sie sich von ihrem Mann, womit sie zugleich die Anti-Nepotismus-Regel umgeht, die ihre Karriere zusätzlich behindert hatte.

1975 geht sie mit nur 33 Jahren an die Yale University. Bereits drei Jahre später wird sie dort Professorin und ist damit die erste Frau in der Astronomieabteilung. Sie erhält den Annie Cannon Award in Astronomy der American Astronomical Society.

Ein weiterer zentraler Punkt ihrer Arbeit betrifft die große kosmologische Frage der 1960er- und 1970er-Jahre: Ist das Universum offen oder geschlossen? Wird es sich für immer weiter ausdehnen oder irgendwann unter seiner eigenen Gravitation wieder zusammenfallen? Um das zu beantworten, muss man wissen, wie schnell sich das Universum ausdehnt und wie viel Materie es enthält. Dafür sind Beobachtungen ferner Galaxien entscheidend. Wenn sich die Helligkeit von Galaxien im Laufe der kosmischen Zeit aber verändert, so wie Tinsley das gezeigt hat, beeinflusst das direkt die Messungen. Die Geometrie des Universums lässt sich also nicht korrekt bestimmen, wenn man Galaxien wie unveränderliche Glühbirnen behandelt. Tinsley zeigt, dass Modelle zur Galaxienentwicklung entscheidend sind, um zwischen einem offenen und einem geschlossenen Universum zu unterscheiden.

Darüber hinaus beschäftigt sie sich auch mit der Entstehung von Galaxien selbst. In der Frühphase des Universums existieren noch keine fertig ausgeprägten Spiral- oder Ellipsengalaxien, sondern sogenannte Protogalaxien, also junge Systeme aus Gas und den ersten Sternen, die sich noch im Aufbau befinden. Ihre Berechnungen liefern eine der ersten Annäherungen daran, wie solche Protogalaxien aussehen könnten.

Kurz nach ihrer Berufung nach Yale erkrankt Beatrice Tinsley an Hautkrebs. 1981 stirbt sie im Alter von nur 40 Jahren. Erst nach ihrem Tod erkennen viele Kolleginnen und Kollegen in vollem Ausmaß, wie weitreichend ihre Beiträge wirklich waren. In nur 14 Jahren veröffentlichte sie rund 100 wissenschaftliche Arbeiten zur Entwicklung von Galaxien. Lange werden ihre Modelle in Lehrbüchern verwendet, ohne dass ihr Name ausreichend genannt wird. So gerät sie mit der Zeit zunehmend in Vergessenheit, obwohl ihre Arbeiten die Kosmologie nachhaltig geprägt haben.

Heute gilt Beatrice Tinsley als eine der Begründerinnen der modernen Theorie der Galaxienentwicklung. 1986 richtet die American Astronomical Society den Beatrice M. Tinsley Prize ein. Außerdem werden ein Asteroid und ein Berg in Neuseeland im Keplergebirge nach ihr benannt.

Mehr über Tinsley findet ihr hier, hier und hier

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