Harlow Shapley keek niet alleen naar de sterren. Hij bracht de duisternis tussen hen in kaart. Deze Amerikaanse astronoom, geboren in 1885 in Nashville, Missouri, zou uiteindelijk ons begrip van waar we ons in de kosmos bevinden, herschrijven. Zijn werk heeft niet alleen de cijfers aangepast. Het verschoof het hele centrum van het Melkwegstelsel weg van de aarde.
Vóór Shapley beschouwde de mensheid zichzelf graag als centraal. Wij waren het middelpunt. De zon stond in het midden van de melkweg. De logica leek correct als je alleen vanuit ons specifieke uitkijkpunt naar de nachtelijke hemel keek. Shapley bewees dat dit verkeerd was. Hij concludeerde dat de zon dichtbij het centrale vlak van de Melkweg ligt, maar nergens dichtbij het centrum. Het bevindt zich op een afstand van ongeveer 30.000 lichtjaar. Dat is ver verwijderd van de partij.
Dit was geen enkel moment van inzicht. Het was een rekensommetje. Het begon in 1911. Shapley werkte nauw samen met Henry Norris Russell om de code voor stellaire dimensies te kraken. Ze concentreerden zich op binaire systemen. Dit zijn paren sterren die rond een gemeenschappelijk massamiddelpunt draaien. Wanneer ze elkaar verduisteren, dimt hun licht. Dat dimmen is meetbaar. Het zijn gegevens.
Shapley gebruikte deze metingen om de fysieke grootte van sterren te bepalen. Hij veranderde lichte rondingen in fysieke realiteiten. Deze methode werd ruim 30 jaar lang de standaardprocedure. Het was de gouden standaard voor het meten van de grootte van sterren. Als je wilde weten hoe groot een ster was, keek je naar zijn eclipsen. Shapley had de liniaal gebouwd.
Maar er zat een addertje onder het gras. Sommige sterren gedroegen zich anders. Ze pulseerden. Ze stonden bekend als Cepheid-variabelen. Andere astronomen dachten dat dit gewoon binaire paren waren die elkaar overschaduwden. Shapley zag de fout. Hij toonde aan dat Cepheid-variabelen geen sterrenparen kunnen zijn die elkaar overschaduwen. De wiskunde hield geen stand. De lichtvariatie was te complex. Te ritmisch.
Daarom keek hij dieper. Hij was de eerste die voorstelde dat het pulserende sterren zijn. Ze ademen. Ze breiden uit en krimpen in. Dit onderscheid was van belang. Het heeft de verwarring in het veld weggenomen. Het stelde astronomen in staat deze sterren later als ‘standaardkaarsen’ te gebruiken, hulpmiddelen voor het meten van grote afstanden in de ruimte. Door hun aard correct te identificeren, categoriseerde Shapley niet alleen een stertype. Hij maakte het mogelijk de ware grootte van het sterrenstelsel te meten.
Hij stierf in Boulder, Colorado, op 20 oktober 1972. De zon bleef waar hij was en hing rond in de buitenwijken van de Melkweg. We zijn niet verhuisd. Maar onze kaart veranderde. We hebben geleerd dat we nergens het middelpunt van zijn. Slechts een klein onderdeel van een veel groter, onverschillig systeem.
Onze plaats in de kosmos opnieuw definiëren
In 1914 had Harlow Shapley zich gevestigd in de staf van het Mount Wilson Observatorium in Pasadena, Californië. De prijs die op tafel lag was de 1,5 meter lange spiegeltelescoop. Het was het grootste instrument aan de hemel en Shapley gebruikte het om de bolvormige sterrenhopen van de Melkweg in kaart te brengen. Dit waren niet zomaar sterren. Het waren dichte, bolvormige pakketten van elk wel een miljoen zonnen.
Destijds kenden astronomen ongeveer 100 van dergelijke clusters. Shapley merkte iets vreemds op. Een derde van hen zat in het sterrenbeeld Boogschutter. Dit was niet willekeurig. Hij gebruikte een nieuwe truc om afstand te meten. De truc betrof variabele sterren van RR Lyrae. Deze sterren pulseren met een ritme. Hun periode van variatie hield rechtstreeks verband met hun helderheid. Als je de hartslag kende, kende je het ware licht. Als je het ware licht en de schijnbare helderheid kende, kende je de afstand.
De gegevens schetsten een beeld. De clusters vormden een bol. Het middelpunt van die bol wees naar Boogschutter. Het leek logisch dat de clusters rond het galactische centrum draaiden. Dus Shapley heeft het berekend. Hij plaatste de zon op ongeveer 50.000 lichtjaar van de kern van de galactische kern. (Later werk corrigeerde dit tot 30.000). Dit was een schok. Vóór Shapley dacht iedereen dat de zon in het midden van de Melkweg hing. Hij had die veronderstelling zojuist opgeblazen. Zijn berekeningen leverden de eerste realistische schatting op van de ware grootte van het sterrenstelsel. Dit veranderde de galactische astronomie voor altijd.
Het grote debat van 1920
Terwijl Shapley de Melkweg uitbreidde, knaagde een ander probleem aan astronomen. Wat waren de spiraalnevels? Objecten zoals de Andromedanevel leken op vage vlekken. Sommigen dachten dat het kleine wolkjes in ons eigen sterrenstelsel waren. Anderen dachten dat het zelf hele sterrenstelsels waren.
Deze spanning explodeerde op 26 april 1920. De National Academy of Sciences kwam bijeen in Washington D.C. Twee mannen stonden op het podium. Aan de ene kant stond Shapley. Aan de andere kant stond de Amerikaanse astronoom Heber Curtis. Hun botsing werd bekend als het Grote Debat. Er was geen duidelijke winnaar, maar het benadrukte wel de inzet.
Curtis verwierp de enorme Melkweg van Shapley. Als het sterrenstelsel zo groot was, zo betoogde hij, zouden de nevels er niet in kunnen zitten. Hij geloofde dat de spiraalnevels onafhankelijke ‘eilanduniversums’ waren. Shapley stond achter de enorme omvang van de Melkweg. Maar hij betoogde dat de spiraalnevels slechts gaswolken waren, vergelijkbaar met bolvormige sterrenhopen, verspreid in onze Melkweg.
De geschiedenis heeft Curtis op de nevels gelijk gegeven. Het waren inderdaad andere sterrenstelsels. Maar Shapley had gelijk wat betreft de grootte van die van ons. Het heelal was veel groter dan iemand zich had kunnen voorstellen. Het was een rommelige overwinning voor beide mannen.
Legacy en bewoonbare zones
Shapley stopte niet bij de Melkweg. Hij keek naar nabijgelegen sterrenstelsels en concentreerde zich zwaar op de Magelhaense Wolken. Hij merkte dat sterrenstelsels niet alleen drijven. Ze klonterden samen. Hij noemde deze clusters ‘metagalaxieën’. Deze term voor galactische clusters heeft geholpen bij het kaderen van hoe we naar grootschalige structuren kijken.
In 1953 stelde Shapley een theorie voor die nog steeds vorm geeft aan onze zoektocht naar leven. Hij noemde het de ‘vloeibare watergordel’. Het idee was eenvoudig maar diepgaand. Een planeet moet zich op een bepaalde afstand van zijn ster bevinden. Te dichtbij en het water kookt. Te ver, en het bevriest. Alleen in die gordel kan een planeet een atmosfeer vasthouden en water vloeibaar houden. We kennen dit nu als de bewoonbare zone. Het blijft een fundamenteel concept in de astrobiologie.
Zijn carrière verplaatste zich van Mount Wilson naar Harvard University. Daar werd hij hoogleraar. In 1921 nam hij het roer over als directeur van het Harvard College Observatory. Hij bekleedde die functie tot 1952. Na zijn aftreden behield hij de titels van emeritus directeur en Paine Professor of Astronomy.
Hij liet een belangrijke bibliografie na. Sterrenclusters arriveerden in 1930. Vluchten vanuit Chaos volgden. Galaxies kwam uit in 1943. Latere werken waren onder meer The Inner Metagalaxy (1957) en Of Stars and Men (1958). Deze laatste werd in 1962 verfilmd. Hij was tevens de vader van Lloyd Shapley, die de Nobelprijs voor de economie won.
De man die de zon naar de rand van de Melkweg duwde, hielp ook bepalen waar elders leven zou kunnen voorkomen. Het universum werd groter, maar de zoektocht naar betekenis daarin werd preciezer. We zijn nog steeds naar die clusters aan het kijken.
