Kosmischer Fingerabdruck Forscher finden Asche der ersten Sterne

In der Frühzeit des Universums sollen riesige Gasbälle am Himmel gestanden haben, sie waren hundertmal schwerer als die Sonne. Astronomen haben Spuren der Giganten entdeckt - in der Asche ihrer Explosionen.
Foto: National Astronomical Observatory of Japan

Wenn Paläontologen einen seltsamen Knochen bergen, kann sich dahinter eine neue urzeitliche Spezies verbergen. Ähnlich geht es Astronomen, die auf der Jagd nach Spuren einer ausgestorbenen Generation von Himmelskörpern sind, etwa den ersten Sternen im Universum.

Es sollen gewaltige Gasbälle mit mehr als hundert Sonnenmassen gewesen sein, die einst das dunkle kosmische Zeitalter beendeten. Doch hat es diese monströsen Sterne überhaupt gegeben, oder sind sie nur Konstrukte fantasiebegabter Theoretiker? Bislang fehlten Belege aus Beobachtungen.

In der aktuellen Ausgabe des Wissenschaftsblatts "Science" melden Astronomen eine heiße Spur der Urzeitriesen: Die Forscher wollen die Überreste ihrer gewaltigen Supernova-Explosionen aufgespürt haben - anhand der chemischen Elemente in der Explosionsasche.

Riesige Wasserstoffbomben

Astronomen, die eine Supernova im Teleskop registrieren, sehen einen zuvor völlig unscheinbaren Stern plötzlich aufstrahlen, seine Leuchtkraft übertrifft dann unsere Sonne milliardenfach. Solche kosmischen Dramen markieren das Lebensende des Vorläufersterns.

Weil in dessen Zentrum der nukleare Brennstoff vollständig verbraucht ist, endet die Energieproduktion mittels Kernfusion. Damit ist jedoch auch das stabilisierende Gleichgewicht vorüber - der Stern kollabiert und wird im Zentrum enorm verdichtet. Dort bildet sich ein schwarzes Loch oder ein Neutronenstern. Die vormals äußeren Schichten des sterbenden Sterns werden abgesprengt. Das ist die eigentliche Explosion.

All das gilt für massereiche moderne Sterne, jedoch nicht für die Riesen der ersten Generation. Bereits vor einem halben Jahrhundert berechneten Astrophysiker, dass die Giganten mit mindestens 140 Sonnenmassen anders aus dem Leben schieden. Nach dem Modell der sogenannten Paarinstabilität-Supernova konnten sie wie gewaltige Wasserstoffbomben explodieren - das könnte sie nun verraten.

Den Kalkulationen zufolge erhitzten sich diese Sterne im Verlauf ihrer Entwicklung auf rund eine Milliarde Grad, bis in ihrem Innern aus Lichtquanten paarweise Elektronen und Positronen gebildet wurden. Dieser Prozess verminderte den nach außen gerichteten Strahlungsdruck, wodurch die Schwerkraft übermächtig wurde.

Auch hier schrumpft das Zentrum, was die Energieproduktion enorm anfacht. Doch anders als bei der herkömmlichen Supernova war der nukleare Brennstofftank noch prall gefüllt. Innerhalb weniger Sekunden zündet fast der gesamte verbleibende Vorrat und eine gewaltige Detonation zerriss den Sterngiganten. Solche stellaren H-Bomben könnten hundertmal heftiger gewesen sein als eine heutige Supernova.

Verräterische Stoffe

In der Zerstörung lag jedoch der Keim des Neuen, denn fast alle chemischen Elemente im Universum wurden so erzeugt - als "Asche" des Feuerzauberers wurden sie weit ins All katapultiert. Auch das irdische Leben verdankt seine Existenz diesem Start der kosmischen Rohstoffproduktion.

Aber wie findet man Belege für eine Generation längst verblichener Sterne? Ein Team aus japanischen und US-Astronomen um Wako Aoki vom Nationalen Observatorium in Tokio meint nun, gleichsam die Asche der Urzeitsterne gefunden zu haben. Genauer gesagt, deren spektralen Fingerabdruck - und zwar im schwachen Licht des Sterns SDSS J0018-0939, der geschätzte tausend Lichtjahre entfernt leuchtet.

Er ist ein eher kühles Exemplar und bringt weniger als eine halbe Sonnenmasse auf die Waage. Seine besondere Zusammensetzung verriet den Stern als uralt: Die Forscher haben seine Lichtspektren ausgewertet und auf diese Weise dessen chemische Stoffe analysiert.

Den Gehalt sämtlicher Elemente schwerer als Helium haben die Forscher mit minus 2.5 gemessen - ein sehr niedriger Wert, er bescheinigt dem Stern sein hohes Alter. Denn im jungen Kosmos waren nur wenige Supernovae explodiert, hatten das All folglich auch nur gering mit schweren Elementen versorgt.

Eine Art Rosetta-Stein

Die Häufigkeit anderer Elemente dient quasi als Fingerabdruck für eine extrem energiereiche Sternexplosion: Die Werte von Kobalt, Nickel, Titan und Scandium passten bei SDSS J0018-0939 exakt zu jenen, die bei Paarinstabilität-Supernovae erwartet würden, schreiben die Forscher.

"Aokis Stern kann sich als eine Art Rosetta-Stein für das Verständnis der chemischen Entwicklung des Kosmos erweisen", schreibt Volker Bromm von der University of Texas in einem Kommentar zur "Science"-Studie. Der Astrophysiker ist überzeugt, dass die erste Sterngeneration tatsächlich Riesensterne mit über hundert Sonnenmassen hervorbrachte.

Allerdings waren sie wohl in der Minderheit, denn eine ganze Menge kleinerer Exemplare bevölkerte ebenfalls den jungen Kosmos, "diese starben als konventionelle Supernovae", glaubt Bromm. Ob die neue Studie alle Zweifler am Konzept der Urzeitriesen überzeugt, bleibt abzuwarten.

Noch im vergangenen Herbst hatte sich beispielsweise Daniel Kasen, Astrophysiker an der University of California, in "Nature" sehr skeptisch geäußert, als israelische Kollegen eine Paarinstabilität-Supernova auch im modernen Kosmos aufgespürt haben wollten, diese gehöre ins "Reich bloßer Theorie".

Womöglich können künftige Beobachtungen des James-Webb-Weltraumteleskops die Kontroverse beilegen, es soll imstande sein, die Urzeitriesen bei ihrem letzten Aufleuchten in flagranti zu erwischen. Sein Start ist momentan für 2018 geplant.

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