The Great Debate

Was war das?

Etwas ausführlicher:

Stand der Dinge 1920

• Immanel Kant stellte bereits im 17. Jhdt. die Hypothese der Welteninseln auf. Zumindest einige der von Charles Messier, William Herschel und anderen entdeckten wolkenartigen Objekten sollten eigene “Welten” vergleichbar mit unserer Milchstrasse sein.
• William Herschel durchmustert von Bath (England) den nördlichen Himmel nach Nebeln. Sein Sohn John tut das Gleiche von Kapstadt aus für den Südhimmel. Die Ergebnisse dieser Durchmusterungen werden als General Catalogue of Nebulae von John Herschel veröffentlicht.
• William Parsons entdeckt um 1845 bei einigen Nebeln eine Spiralstruktur.
• John Dreyer veröffentlicht 1895 den New General Catalogue, kurz NGC, als Erweiterung von John Herschels General Catalogue of Nebulae.
• Cornelius Easton skizziert 1900 ein Modell von der Milchstrasse, das erstmals Spiralarme aufweist.
• Vesto Malvin Slipher misst die Sichtliniengeschwindigkeit von einigen Spiralnebeln. Die meisten haben sehr grosse radiale Geschwindigkeiten von der Grössenordnung 1000 km/s.
• Henrietta Leavitt findet 1912 eine Periode-Leuchtkraft-Beziehung (PL-Relation) bei variablen Sternen in der Kleinen Magellanschen Wolke.
• Ejnar Hertzsprung identifiziert 1913 Leavitts variable Sterne als Cepheiden und kalibriert deren Helligkeit.
• Adriaan van Maanen gibt 1916 bekannt, die Rotation von Spiralnebeln gemessen zu haben.
• George Willis Ritchey entdeckt 1917 eine Nova in NGC 6946 (ein Spiralnebel)
• Harlow Shapley stellt 1918 sein neues Modell von der Milchstrasse vor.
• Jacobus Cornelius Kapteyn stellt 1920 sein Modell des Universums bzw. der Milchstrasse vor. Grundlage seines Modells waren statistische Untersuchungen der Häufigkeiten von Sternen (Sternzählungen) und deren Eigenbewegungen (Sterne mit grosser Eigenbewegung sind nah, auch wenn sie leuchtschwach sind, Sterne mit kleiner Eigenbewegung fern, auch wenn sie sehr hell sind). Absorption durch Staub und Gas war ihm nicht bekannt und wurde nicht korrigiert. Die Kapteynsche Milchstrasse hat einen Durchmesser von 10 kpc und eine Dicke von 24 pc. Die Sonne steht im Zentrum des Systems.

Zusammenfassend liess sich die Frage formulieren:

Warum vermeiden Nebel, Spiralnebel und Sternhaufen die Ebene der Milchstrasse?

Tatsächlich führte diese Frage nur auf eine ganze Sammlung von Fragen:

Wie gross ist die Milchstrasse? Was ist die Natur der Spiralnebel? Wie weit sind die Spiralnebel entfernt? Bestehen die Spiralnebel aus Gas oder aus Sternen?

George Ellery Hale schlug 1919 vor, eine Debatte entweder zu diesem Thema, der Welteninselnhypothese, oder zur allgemeinen Relativitätstheorie während der nächsten Versammlung des Council der National Academy of Sciences im April 1920 abzuhalten. Zur Finanzierung bot er Mittel aus einem Fond seines Vaters William Hale an.
Sein Vorschlag stiess anfänglich nicht auf begeistertes Echo, wie die Antwort des Sekretärs der National Academy of Sciences (NAS), Charles Greeley Abbot, in einem Brief vom 3. Januar 1920 zeigt:

You mentioned the possibility of a sort of debate, either on the subject of the island universe or relativity. From the way the English are rushing relativity in Nature and elsewhere it looks as if the subject would be done to death long before the meeting of the Academy, and perhaps your first proposal to get Campbell and Shapley to discuss the island universe would be more interesting. I have a sort of fear, however, that the people care so little about island universe, notwithstanding their vast extent, that unless the speakers took pains to make the subject very engaging the thing would fall flat .... Are there no other subjects - the cause of glacial periods, or some zoological or biological subject - which might make an interesting debate? ... As to relativity, I must confess that I would rather have a subject in which there would be a half dozen members of the Academy competent enough to understand at least a few words of what the speakers were saying if we had a symposium upon it. I pray to God that the progress of science will send relativity to some regions of space beyond the fourth dimension, from whence it may never return to plague us.

Abbot war Sonnenphysiker.

Letztlich erklärte sich Abbot einverstanden mit Hales Vorschlag, und so wurde eine Debatte angesetzt:

The distance scale of the universe mit

Harlow Shapley, Mount Wilson

Heber Doust Curtis, Lick Observatory

Die beiden vertraten jeweils unterschiedliche Modelle:

Shapley

Curtis

verteidigt sein Modell der Milchstrasse, welches nach heutiger Kenntnis vergleichsweise riesige Ausmasse hatte: Durchmesser der Scheibe 100 kpc, mit Kugelsternhaufensystem 300 kpc; die Verwendung der Kugelsternhaufen (Shapley’s clusters) zur Bestimmung der Grösse und Form der Galaxis; die Hypothese, dass die Nebel interne Strukturen innerhalb der Milchstrasse seien; Bestätigung dieser These durch van Maanens Beobachtungen von der Rotation der Spiralnebel; das Sonnensystem kann nicht im Zentrum der Galaxis stehen, wenn man die Form der Galaxies mit Hilfe der Kugelsternhaufen bestimmt.

verteidigt das Milchstrassenmodell von Kapteyn, welches ein Grösse der Milchstrasse von 10 kpc angibt mit dem Sonnensystem nahe dem Zentrum des Systems; die Welteninseln-Hypothese aufgrund der grossen Radialgeschwindigkeiten der Spiralnebel (viel grösser als die von Sternen in der Milchstrasse), einer Nova in M31 (die zu schwach gewesen wäre, wenn sie innerhalb der Milchstrasse stände), dunkle Bänder in Spiralnebeln, die von der Seite zu sehen sind (die den Analogieschluss nahelegten, dass die Galaxis auch ein solcher ist, was das Fehlen von NGC-Objekten in niedrigen galaktischen Breiten erklären könnte).

In beiden Argumentationen gingen die Helligkeiten von Sternen ein. Shapley verwendete sonnennahe Sterne als Standardkerzen. Dabei schlich sich ein Fehler ein: er hielt die blauen Sterne (Sterne mit einem Farbindex < 0.0) für die gleiche Art wie in der Sonnenumgebung. Hier herrschen allerdings massereiche Hauptreihensterne vor, während in den Kugelsternhaufen Weisse Zwerge als blaue Sterne auftreten. Eine weitere Annahme Shapleys erwies sich im nachhinein als falsch, dass nämlich variablen Sterne in den Kugelsternhaufen Delta-Cepheiden seien, wie sich auch in der Milchstrasse auftreten. Wie sich mit Walter Baades Entdeckung verschiedener Sternpopulationen herausstellte, handelt sich jedoch um zwei verschiedene Populationen. Die Cepheiden in der Milchstrasse sind klassische Cepheiden, während die “Cepheiden” in den Haufen tatsächlich leuchtschwächere W-Virginis Sterne sind. Dadurch überschätzte Shapley die Entfernung zu den Kugelhaufen, so dass seine Milchstrasse etwa einen Faktor 10 grösser ausfiel als Kapteyns Universum.

Curtis stützte sich in seiner Argumentation nicht auf alle vorkommenden Sterne, sondern konzentrierte sich auf die häufigsten Typen, F bis K, und konnte damit Kapteyns Werte von der Ausdehnung der Milchstrasse. Curtis wies auch darauf hin, dass Shapley bei der Verwendung der Cepheiden eine Auswahl getroffen hatte, in der er Sterne mit irregulären Lichtkurven oder Perioden sowie mit zu grossen Eigenbewegungen ausgeschlossen hatte.

Die von Ritchey 1917 im Spiralnebel NGC 6946 entdeckte Nova stand im Mittelpunkt einer weiteren Argumentationskette. Diese Nova erreichte nur 14.6 mag, war also viel schwächer als vergleichbare Novae in der Milchstrasse. In der Folge untersuchte Ritchey alte Platten des Mount Wilson Observatory und fand zwei weitere in M31. Nach Curtis Meinung favorisiert die Entdeckung der Novae in diesen beiden Spiralnebeln deren extragalaktische Natur. Nach Shapleys Meinung war das kein Argument, da die Novae im Fall extragalaktischer Objekte “lächerlich” hell wären. Eine Entscheidung in diesem Fall brachte erst nach der Debatte Lundmark, der 22 Novae in M31 untersucht hatte und dabei zwei Sorten von Novae fest stellte: die klassischen (lower) Novae und die “upper” class Novae, die heute als Supernovae bezeichnet werden und einen völlig anderen Mechanismus haben. Mit seinen Daten für die Helligkeiten der lower und upper class Novae von M = -4 bzw. -16 (im photographischen Band) erhielt Lundmark einen Wert von 200 kpc, was schon ausserhalb von Shapleys Scheibe der Milchstrasse lag.

Quellen:

Literatur:

• Shapley, H., Curtis, H.D. 1921: The scale of the universe, Bull. Nat. Research Council of the Nat. Acad. of Sciences 2, 171
• Curtis, H.D. 1919: Modern theories of spiral nebulae
• Hubble, E. 1925: Cepheids in spiral nebulae, PASP 5, 261
• Berendsen et al. 1976: Man discovers the galaxies
• Shu, F. 1982: The physical universe, 286ff
• Hoskin, M.: Cambridge illustrated history of astronomy
• Hoskin, M. 1976: The `great debate´: What really happened, Journal for the history of Astronomy 7.3, 169
• Sandage, A. 1961: The Hubble atlas of galaxies
• Trimble, V.: The 1920 Shapley-Curtis discussion, PASP 107, 1133