Die ersten Sterne waren nicht allein
Die ersten Sterne des Universums waren nicht wie bisher angenommen Einzelsterne sondern konnten mit einer Vielzahl kleinerer Begleitsterne geboren werden. Dies geschieht dann, wenn sich die Gasscheiben, die junge Sterne umgeben, während des Geburtsvorgangs teilen; aus diesen Fragmenten können sich neue Sterne bilden.
Forscher am Zentrum für Astronomie der Universität Heidelberg haben das zusammen mit Kollegen des Max-Planck-Instituts für Astrophysik in Garching und der University of Texas at Austin (USA) mit Computersimulationen nachgewiesen. Die Forschungsergebnisse, die in „Science“ veröffentlicht wurden, werfen ein völlig neues Licht auf die Bildung der ersten Sterne nach dem Urknall.Sterne entstehen aus kosmischen Gaswolken in einem komplexen Wechselspiel aus Gravitation und Gasdruck: Aufgrund der eigenen Schwereanziehung beginnt sich das Gas immer weiter zu verdichten. Dabei erwärmt es sich, der Druck steigt – und die Verdichtung kommt zum Erliegen. Wenn es dem Gas gelingt, thermische Energie abzustrahlen, kann sich die Komprimierung fortsetzen und ein neuer Stern entstehen.
Dieser Kühlprozess funktioniert dann besonders gut, wenn dem Gas chemische Elemente wie Kohlenstoff oder Sauerstoff beigemischt sind. So bilden sich in der Regel Sterne mit nur geringer Masse, wie etwa unsere Sonne. Im frühen Universum waren diese Elemente jedoch noch nicht vorhanden, so dass das ursprüngliche kosmische Gas nicht sehr gut kühlen konnte. Die meisten theoretischen Modelle sagten daher Sternenmassen von etwa dem Hundertfachen der Sonne voraus.
| Blick auf die Gasscheibe, die einen neu gebildeten, zentralen Stern umgibt: Blau erscheinen hier Bereiche geringer Gasdichte, rötlich solche mit hoher Gasdichte. Deutlich erkennbar ist die Verdichtung innerhalb der Scheibe, aus der sich ein weiterer Stern entwickeln wird. | Abbildung: Arbeitsgruppe Sternentstehung |
Der Heidelberger Astrophysiker Dr. Paul Clark und seine Kollegen haben diese Vorgänge mit Hilfe von Computersimulationen untersucht. Diese zeigen, dass das vormals einfache Bild revidiert werden muss und es im frühen Universum nicht nur riesige Einzelsterne gab. Der Grund liegt in der Physik der sogenannten Akkretionsscheiben, die die Geburt der ersten Sterne begleitet haben:
Der Gasnebel, aus dem sich ein neuer Stern bildet, rotiert. Dadurch fällt das Gas nicht direkt ins Zentrum; es bildet erst eine scheibenartige Struktur aus und kann nur durch interne Reibung weiter nach innen fließen. Wenn mehr Masse auf die Scheibe einfällt als sie nach innen abtransportieren kann, wird sie instabil und zerfällt in mehrere Fragmente. Anstelle eines einzigen Sterns im Zentrum bildet sich dann eine Gruppe von mehreren Sternen – mit Abständen, die der Distanz zwischen Erde und Sonne vergleichbar sind.
Diese Erkenntnis eröffnet nach Angaben von Dr. Clark völlig neue Möglichkeiten, die ersten Sterne im Universum zu entdecken. Denn Doppelsterne oder Mehrfachsysteme können in ihrem Endstadium intensive Ausbrüche von Röntgen- oder Gammastrahlen produzieren. So werden bereits Weltraummissionen geplant, die derartige Blitze im frühen Universum untersuchen sollen.
Zugleich besteht die Möglichkeit, dass einige der ersten Sterne durch gravitative Wechselwirkung mit Nachbarsternen aus ihrer Geburtsumgebung herausgeschleudert wurden, bevor sie viel Masse ansammeln konnten. Im Gegensatz zu den kurzlebigen massereichen Sternen überdauern die massearmen Jahrmilliarden. „Einige der ersten Sterne könnten daher heute noch leben, was es ermöglichen würde, die frühesten Stadien der Stern- und Galaxienbildung direkt vor unserer eigenen kosmischen Haustür zu erforschen“, erklärt Dr. Clark.
| Zeitliche Entwicklung der Akkretionsscheibe um den ersten Stern herum: Deutlich zu erkennen ist das Entstehen dichter Spiralarme, die schließlich fragmentieren und weitere Sterne bilden. Bereits 110 Jahre nach der Bildung des ersten Protosterns sind drei Nachbarsterne entstanden. | Abbildung: Arbeitsgruppe Sternentstehung |
Zusammen mit Dr. Simon Glover und Dr. Rowan Smith forscht Paul Clark in der Arbeitsgruppe Sternentstehung von Prof. Ralf Klessen, die am Zentrum für Astronomie der Ruperto Carola angesiedelt ist. An den Arbeiten waren außerdem Dr. Thomas Greif vom Max-Plack-Institut für Astrophysik und Prof. Volker Bromm von der University of Texas beteiligt.
Die Forschungen wurden von der Baden-Württemberg Stiftung im Programm Internationale Spitzenforschung II gefördert. Weitere Unterstützung kam vom Innovationsfonds FRONTIER der Universität Heidelberg, von der Deutschen Forschungsgemeinschaft, der Amerikanischen National Science Foundation und der NASA (National Aeronautics and Space Administration).
Kontakt:
Prof. Ralf Klessen
Zentrum für Astronomie
Institut für Theoretische Astrophysik
Telefon: 0 62 21/54-89 78
E-Mail: rklessen@ita.uni-heidelberg.de