Kosmologie: Sterne wie in kosmischer Urzeit

Da es im frühen Universum nur leichte Elemente gab, bestanden die ersten Sterne ausschließlich daraus. Forscher gehen nun der Frage nach, wie sich diese Protosterne bildeten.

In den ersten Minuten nach dem Urknall entstanden nur die leichten Elemente und ihre Isotope – so besagt es die Theorie der primordialen Nukleosynthese, also der Elemententstehung. Wasserstoff, Helium und Spuren an Lithium bildeten sich dabei innerhalb kürzester Zeit. Alle schwereren Elemente wurden erst sehr viel später durch Fusionsreaktionen in den ersten Sternen hervorgebracht. In der Frage, wie sich diese frühen Protosterne bildeten, ist man nun ein Stück weiter gekommen.

Das Gas um eine sich bildende Galaxie | So sieht in einer Computersimulation die Gasverteilung in einer jungen Galaxie aus. Die urtümlichen Gasansammlungen, die Fumagalli und Kollegen fanden, könnten in einer der faserigen Regionen liegen.

Forscher um Michele Fumagalli von der University of California in Santa Cruz fanden kürzlich anhand von Aufnahmen des Keck-Teleskops zwei so genannte metallarme Sterne. Astronomen bezeichnen in diesem Zusammenhang allerdings alle Elemente außer Wasserstoff und Helium als Metalle. Tatsächlich zeigte die Spektralanalyse der zwei nun gefundenen Sterne überhaupt keinen nachweisbaren Anteil an schweren Elementen – was laut den Autoren noch nie beobachtet wurde. "Unser Messverfahren hat eine ausgezeichnete Empfindlichkeit für Kohlenstoff, Sauerstoff und Silizium, aber diese Elemente sind in den Spektren komplett abwesend," erzählt Koautor Xavier Prochaska.

Für ihre Spektralanalysen hatten die Wissenschaftler zwei Quasare beobachtet, die hinter den beiden neu entdeckten Sternen und den umgebenden Gaswolken standen. Die charakteristischen Absorptionslinien der Quasarstrahlung beim Durchqueren der Sterngebiete verriet Fumagalli und Kollegen die elementare Zusammensetzung von Letzteren. Die hohe Nachweisempfindlichkeit setzt dabei eine obere Grenze für den Anteil schwerer Elemente, die die Sterne haben können. Dieser liegt damit bei maximal einem Zehntausendstel des Anteils schwerer Elemente, den unsere Sonne hat.

"Es ist aufregend", sagt Fumagalli, "denn dies ist der erste Fund, der genau jenes ursprüngliche Mengenverhältnis der leichten Elemente zeigt, wie es die Urknalltheorie vorhersagt." Die beiden neu entdeckten Sterne bildeten sich rund zwei Milliarden Jahre nach dem Urknall, also vor rund zwölf Milliarden Jahren. In dieser Phase des Universums entstanden viele Sterne und Galaxien. Die Theorie besagt weiterhin, dass diese Galaxien aus sich zusammenziehenden Strömen kalter Gase hervorgingen. Solche Ströme hat man jedoch bisher noch nicht beobachten können. Die von Fumagalli und seine Koautoren beobachteten Gaswolken wären nun potenzielle Kandidaten für solche Gebiete.

Simulation der Gasverteilung um einen urtümlichen Stern | Die Farben stellen die Temperaturverteilung, die Umrisse die Dichteverteilung dar. Der hier simulierte Protostern hat eine Masse von 32 Sonnen. Rechts ist der zentrale Teil nochmals vergrößert gezeigt.

Die übrigen Sterne, die zu jener Zeit entstanden, enthalten – wenn auch in stark schwankender Menge – immer auch schwere Elemente. Bisher fand man noch keine Region, in der sich überhaupt keine Metallspuren zeigten. Die Forscher vermuten deshalb nun, dass Metalle nicht so gleichmäßig über das frühe Universum verteilt wurden wie bisher angenommen. (lh)