SIMULATION
Die ersten Sterne waren überraschend klein
von Stefan Deiters
astronews.com
14. November 2011

Die ersten Sterne, die sich im jungen Universum bildeten, waren vielleicht erheblich kleiner als Astronomen lange Zeit angenommen hatten. Dies ist zumindest das Ergebnis von Simulationen, die Wissenschaftler am Jet Propulsion Laboratory der NASA durchgeführt haben. Das überraschende Resultat könnte auch ein anderes Rätsel über die Frühzeit des Kosmos lösen helfen.

Ausschnitt aus der Simulation zur Entstehung der ersten Sterne: Im Zentrum (rechts vergrößert) befindet sich der sich gerade bildende Stern. Kaltes Gas ist bläulich dargestellt, dessen dichteste Regionen (dunkelblau) bilden eine Scheibe um die gerade entstehende Sonne. Das heiße, expandierende Gas ist orange dargestellt. Bild: NASA / JPL-Caltech / Kyoto University [Großansicht]

Die ersten Sterne, also jene Sonnen, die als erstes im Universum aufleuchteten und sich daher aus dem ursprünglichsten Material überhaupt gebildet haben müssen, waren - so zumindest die bisherige Lehrmeinung - die größten Sterne, die jemals entstanden sind und sollten viele hundert Mal massereicher als unsere Sonne gewesen sein. Doch genau dieses Szenario wird nun durch eine neue Studie infrage gestellt. Bei jetzt präsentierten Simulationen der Sternentstehungsprozesse im frühen Universum entstanden nämlich auch Sterne, deren Masse deutlich unter den vermuteten Extremwerten lag - in einem Fall beispielsweise bei der nur 43-fachen Masse der Sonne.

"Die ersten Sterne waren auf jeden Fall sehr massereich", erläutert Takashi Hosokawa vom Jet Propulsion Laboratory der NASA die Ergebnisse der neuen Untersuchung. "Sie waren aber nicht so extrem, wie man zuvor angenommen hatte. Unsere Simulationen zeigen, dass das Wachstum dieser Sterne früher stoppte als man dachte und sie deswegen nicht so groß wurden." Die Forscher berichteten über ihre Resultate am Freitag in der Online-Ausgabe der Fachzeitschrift Science.

Im frühen Universum gab es nichts weiter als die Elemente, die im Urknall entstanden waren. Das Weltall bestand somit nur aus dünnen Wolken aus Wasserstoff- und Heliumatomen. Einige Hundert Millionen Jahre nach dem Urknall leuchteten aber bereits die ersten Sterne im Universum auf. Wie sie genau entstehen konnten, ist den Astronomen bis heute ein Rätsel.

Sterne bilden sich aus kollabierenden Gaswolken. Dabei dient ein etwas dichterer Bereich im Zentrum der Wolke als eine Art "Saatkorn", das immer mehr Materie anzieht. Bei normalen Sternen, wie etwa auch bei unserer Sonne, spielen bei diesem Prozess schwerere Elemente wie Kohlenstoff eine wichtige Rolle, da sie dazu beitragen, dass das auf den entstehenden Stern einfallende Gas sich nicht zu stark erwärmt. Sonst würde es sich nämlich ausdehnen und es könnte kein Stern mehr entstehen.

Schwere Elemente gab es jedoch im jungen Universum noch nicht, da diese erst im Inneren von Sternen erzeugt werden mussten. Deswegen haben Astronomen angenommen, dass für die ersten Sterne eine deutlich größere Menge an Material erforderlich war, um dadurch das Fehlen der schweren Elemente zu kompensieren. Daher vermutete man zunächst, dass die ersten Sterne Massen von bis zur tausendfachen Masse der Sonne gehabt haben müssen. Neuere Modelle gingen schließlich von einigen hundert Sonnenmassen aus. "Diese Sterne wurden mit der Zeit immer kleiner und kleiner", so Hosokawa, "jetzt glauben wir, dass sie nur noch einige zehn Sonnenmassen groß waren."

Bei den Computersimulationen des Teams stellte sich nämlich heraus, dass das Material in der Umgebung des entstehenden Sterns sich deutlich stärker aufheizt als man bislang angenommen hatte - auf bis zu 50.000 Kelvin, was in etwa der 8,5-fachen Oberflächentemperatur der Sonne entspricht. Gas mit einer solchen Temperatur dehnt sich aber aus und kann dadurch der Anziehungskraft des sich bildenden Sterns entkommen.

Damit muss das Wachstum dieser Sternen früher beendet gewesen sein, als man gedacht hatte und sie dürften deswegen auch eine geringere Masse gehabt haben. "Dies wird einige Leute sicherlich überraschen", meint Harold Yorke vom Jet Propulsion Laboratory, der auch an der Untersuchung beteiligt war. "Bislang gehört es zum Standardwissen, dass die ersten Sterne eine enorme Masse hatten."

Der unerwartete Fund könnte gleichzeitig helfen, ein anderes Rätsel über die Frühphase des Universums zu lösen: Wären die ersten Sterne nämlich tatsächlich so massereich wie ursprünglich angenommen, hätten sie am Ende ihres nuklearen Lebens bei enormen Supernova-Explosionen die in ihnen erzeugten schweren Elemente ins All blasen müssen. Von diesen Elementen sollte sich dann in den folgenden Sternengenerationen noch eine charakteristische Signatur nachweisen lassen. Trotz intensiver Suche hat man diese Signatur allerdings bislang nicht gefunden.

Die neue Studie könnte dafür nun eine einfache Erklärung liefern: Man hat die Signatur bislang nicht gefunden, weil es sie nicht gibt. Da die ersten Sterne nicht so massereich waren, explodierten sie eher wie Supernovae, die wir auch heute noch beobachten können und hinterließen keine spezielle Signatur. "Ich glaube es wird noch mehr Überraschungen aus dieser faszinierenden Epoche des Universums geben", ist Yorke überzeugt.