04.05.2023 • AstronomieAstrophysik

Überreste der ersten Sterne entdeckt

Chemische Zusammensetzung weit entfernter Gaswolken entspricht Vorhersagen zu ersten Sternexplosionen im Kosmos.

Durch den Einsatz des Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte ESO haben Forscher zum ersten Mal die Fingerabdrücke gefunden, die die Explosion der ersten Sterne im Universum hinterlassen hat. Sie entdeckten drei weit entfernte Gaswolken, deren chemische Zusammensetzung dem entspricht, was Astronomen von den ersten Sternexplosionen erwarten. Diese Entdeckungen bringen die Wissenschaftler dem Verständnis der Natur der ersten Sterne, die nach dem Urknall entstanden, einen Schritt näher.

Abb.: Chemische Elemente in einer weit entfernten Wolke. (Bild: L. Calçada, M....
Abb.: Chemische Elemente in einer weit entfernten Wolke. (Bild: L. Calçada, M. Kornmesser, ESO)

Die Forscher gehen davon aus, dass die ersten Sterne, die sich im Universum bildeten, ganz anders waren als die, die wir heute sehen. Als sie vor 13,5 Milliarden Jahren entstanden, enthielten sie nur Wasserstoff und Helium. Diese Sterne, von denen man annimmt, dass sie zehn- oder hundertmal massereicher waren als unsere Sonne, endeten schnell als Supernovae. Dabei reicherten sie das sie umgebende Gas zum ersten Mal mit schwereren Elementen an. Spätere Generationen von Sternen wurden aus diesem angereicherten Gas geboren und stießen zum Ende ihres Lebens ebenfalls schwerere Elemente aus.

Doch die allerersten Sterne sind längst verschwunden. Wie können Forscher also mehr über sie erfahren? Die ersten Sterne können indirekt untersucht werden, indem man die chemischen Elemente nachweist, die sie nach ihrem Tod in ihrer Umgebung verteilt haben. Anhand von Daten, die mit dem VLT der ESO in Chile aufgenommen wurden, fand das Team drei sehr weit entfernte Gaswolken, die entstanden, als das Universum gerade einmal 10 bis 15 Prozent seines heutigen Alters hatte, und deren chemischer Fingerabdruck dem entspricht, was wir von den Explosionen der ersten Sterne erwarten.

Abhängig von der Masse dieser frühen Sterne und der Energie ihrer Explosionen setzten diese ersten Supernovae verschiedene chemische Elemente wie Kohlenstoff, Sauerstoff und Magnesium frei, die in den äußeren Schichten der Sterne vorkommen. Einige dieser Explosionen waren jedoch nicht energiereich genug, um schwerere Elemente wie Eisen freizusetzen, das nur in den Kernen von Sternen vorkommt. Auf der Suche nach dem verräterischen Zeichen dieser allerersten Sterne, die als Supernovae mit niedriger Energie explodierten, suchte das Team daher nach weit entfernten Gaswolken, die arm an Eisen, aber reich an anderen Elementen sind. Und genau das fanden sie: drei weit entfernte Wolken im frühen Universum mit sehr wenig Eisen, aber viel Kohlenstoff und anderen Elementen – der Fingerabdruck der Explosionen der allerersten Sterne.

Diese eigentümliche chemische Zusammensetzung wurde auch bei vielen alten Sternen in unserer eigenen Galaxie beobachtet, die Forscher als Sterne der zweiten Generation betrachten, die direkt aus der Asche der ersten Sterne entstanden sind. Diese neue Studie hat solche Asche im frühen Universum gefunden und damit ein fehlendes Teil in diesem Puzzle hinzugefügt.

Um diese fernen Gaswolken aufzuspüren und zu untersuchen, nutzte das Team Quasare. Auf seiner Reise durch das Universum durchquert das Licht eines Quasars Gaswolken, in denen verschiedene chemische Elemente einen Abdruck auf dem Licht hinterlassen. Um diese chemischen Abdrücke zu finden, analysierte das Team die Daten mehrerer Quasare, die mit dem X-Shooter-Instrument am VLT der ESO beobachtet wurden. X-Shooter spaltet das Licht in ein extrem breites Spektrum von Wellenlängen bzw. Farben auf, was es zu einem einzigartigen Instrument macht, mit dem sich viele verschiedene chemische Elemente in diesen weit entfernten Wolken identifizieren lassen.

MPIA / RK

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