01.11.2019

Das Sternenfeuer zündete früh

Elementverteilung in uralter Gaswolke deutet Entstehung der ersten Sterne kurz nach dem Urknall an.

Astronomen unter der Leitung von Eduardo Bañados vom Max-Planck-Institut für Astronomie haben eine Gaswolke entdeckt, die Informationen über die Früh­phase der Galaxien- und Stern­entstehung liefert, lediglich 850 Millionen Jahre nach dem Urknall. Die Gaswolke wurde zufällig bei der Beobachtung eines entfernten Quasars gefunden, und sie sieht so aus, wie sich die Astronomen die Vorläufer moderner Zwerg­galaxien vorgestellt haben. Die chemische Zusammen­setzung der Wolke ist dagegen über­raschend modern. Das ist nur möglich, wenn sich die ersten Sterne im Universum sehr rasch direkt nach dem Urknall gebildet haben. 
 

Abb.: Schema der urtümlichen Gas­wolke, die von einem fernen Quasar...
Abb.: Schema der urtümlichen Gas­wolke, die von einem fernen Quasar durch­leuchtet wird. (Bild: MPIA)

Die von Bañados und Kollegen entdeckte Gaswolke ist so weit entfernt, dass ihr Licht fast 13 Milliarden Jahre gebraucht hat, um uns zu erreichen. Dementsprechend zeigt uns das Licht, das uns jetzt erreicht, wie die Gaswolke vor fast 13 Milliarden Jahren aussah, nicht mehr als etwa 850 Millionen Jahre nach dem Urknall. Für Astronomen ist jene Zeit besonders interessant: Innerhalb der ersten mehreren hundert Millionen Jahre nach dem Urknall bildeten sich die ersten Sterne und Galaxien – und die Details dieser frühen Entwicklung sind noch weitgehend unbekannt.

Die Entdeckung der außergewöhnlichen Gaswolke verdanken die Astronomen dem Zufall. Bañados, damals an der Carnegie Institution for Science, und seine Kollegen waren dabei, eine Gruppe von Quasaren genauer zu untersuchen. Jene Gruppe von 15 fernen Quasaren hatte Chiara Mazzucchelli für ihre Doktorarbeit am Max-Planck-Institut für Astronomie zusammen­gestellt und dazu die entferntesten bekannten Vertreter der Gattung (Rotverschiebung von 6,5) versammelt. Zuerst stellten die Forscher nur fest, dass der Quasar P183+05 ein eher ungewöhnliches Spektrum aufwies. Aber als Bañados dann eine detail­reichere Aufnahme eines Spektrums analysierte, die er mit einem der Magellan-Teleskope am Las-Campanas-Observatorium in Chile angefertigt hatte, erkannte er, worum es sich eigentlich handelte: Das Ungewöhnliche in dem Spektrum waren die Spuren einer Gaswolke, die sehr nahe an dem entfernten Quasar lag – eine der entferntesten Gaswolken, die Astronomen bisher haben identifizieren können.

Die große Helligkeit ermöglicht es Astronomen, Quasare als Hintergrund-Lichtquellen zu nutzen, um Wasserstoff und andere chemische Elemente „in Absorption“ zu beobachten: Befindet sich eine Gaswolke direkt zwischen dem Beobachter und einem entfernten Quasar, absorbiert sie einen Teil des Quasar-Lichts und lässt sich auf diese Weise nachweisen. 

Astronomen untersuchen zu diesem Zweck das Spektrum des Quasars. Die Stärke der Absorption bei unterschiedlichen Wellenlängen liefert Informationen über die chemische Zusammen­setzung, Temperatur, Dichte und sogar über die Entfernung der Gaswolke von uns, sowie ihre Entfernung vom Quasar. Das Vorhandensein einer charakteristischen Spektrallinie zeigt das Vorhandensein eines bestimmten chemischen Elements an und lässt sogar Rückschlüsse darauf zu, wie groß die Menge des Elements in der Wolke ist.

Aus dem Spektrum der neu entdeckten Gaswolke konnten die Forscher sofort erkennen, wie weit die Wolke von uns entfernt ist – und dass sie in diesem Falle in die erste Milliarde Jahre kosmischer Geschichte zurückblickten. Sie fanden auch Spuren von mehreren chemischen Elementen wie Kohlenstoff, Sauerstoff, Eisen und Magnesium. Die Menge dieser Elemente war jedoch winzig und entsprach nur rund einem Acht­hundertstel der Häufigkeit jener Elemente in der Atmosphäre unserer Sonne. Astronomen fassen alle Elemente schwerer als Helium unter den Sammelbegriff „Metalle“ zusammen. Die Messung macht die Gaswolke zu einem der metall­ärmsten und entferntesten Himmels­objekte, das wir kennen. Michael Rauch von der Carnegie Institution of Science, Mitautor der neuen Studie, sagt: „Nachdem wir überzeugt waren, dass wir nur 850 Millionen Jahre nach dem Urknall auf urtümliches Gas gestoßen waren, haben wir uns gefragt, ob dieses System vielleicht sogar die chemischen Finger­abdrücke der allerersten Generation von Sternen enthält.“

Die Suche nach diesen Sternen der ersten Generation, die zur sogenannten „Population III“ gehören, ist eine der wichtigsten Aufgaben, die es zu lösen gilt um herauszufinden, was im frühen Universum geschah. Im späteren Universum spielen chemische Elemente, die schwerer als Wasserstoff sind, eine wichtige Rolle, wenn es darum geht, Gaswolken zu Sternen kollabieren zu lassen. Aber diese chemischen Elemente, insbesondere Kohlenstoff, werden ihrerseits erst in Sternen produziert und in Supernova-Explosionen ins All geschleudert. Für die ersten Sterne stand noch kein Kohlenstoff als Kollaps-Beschleuniger zur Verfügung, denn direkt nach der Urknallphase gab es nur Wasserstoff- und Heliumatome. Das macht die ersten Sterne grundlegend anders als alle späteren Sterne.

Die Analyse des Spektrums der Wolke zeigte, dass deren chemische Zusammen­setzung alles andere als urtümlich war, sondern erstaunlich genau den Häufigkeiten der Elemente entsprach, wie man sie in den heutigen intergalaktischen Gaswolken findet. Das stellt für die Modelle der Entstehung der ersten Sterne eine beachtliche Herausforderung dar. 

Insbesondere muss die Entstehung der ersten Sterne diesen Ergebnissen nach bereits deutlich früher begonnen haben muss als zu jener Zeit, zu der wir die Gaswolke beobachten. Es musste nämlich seit Beginn der ersten Stern­entstehung genügend Zeit vergangen sein, dass sich das heutige Gleichgewicht einstellen konnte – und die Spuren der frühen Stern­chemie von den nachfolgenden Stern­explosionen mindestens einer weiteren Generation von Sternen überlagert werden konnten. Besonders wichtig ist dabei die Rolle der Supernovae vom Typ Ia. Solche Supernovae finden rund eine Milliarde Jahre nach der Entstehung der beteiligten Sterne statt. Das schiebt die Entstehung jener Sterne weit in die Vergangenheit, in die Zeit direkt nach dem Urknall.

Nachdem die Astronomen diese eine sehr frühe Wolke gefunden haben, suchen sie systematisch nach weiteren Exemplaren. „Es ist spannend, dass wir die Metallizität und die Element­häufigkeiten so früh in der Geschichte des Universums messen können. Aber wenn wir die Spuren der allerersten Sterne identifizieren wollen, müssen wir noch weiter in die Vergangenheit vordringen. Ich bin optimistisch, dass wir noch weiter entfernte Gaswolken finden werden, die uns helfen können zu verstehen, wie die ersten Sterne geboren wurden.“

MPIA / DE
 

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