Sternentwicklung: Auf der Spur der Ursterne
Sie waren heiß, sie waren stattlich, und sie starben jung: die allerersten Sterne. Unser All bevölkerten sie schon, als es kaum mehr als ein Prozent seines heutigen Alters von 13,8 Milliarden Jahren besaß. Typische Vertreter dieser Sterngeneration sollen 100-mal mehr Masse als die Sonne gehabt haben und strahlten deshalb auch intensiver. Verglichen mit den rund 100 000 Grad Celsius, die darum auf ihrer Oberfläche herrschten, erscheint unsere Sonne mit ihrer Oberflächentemperatur von 5 500 Grad Celsius geradezu als Ort moderater Kühle.
Der schöne Glanz der Urzeitsterne ist längst dahin, aber sie haben Spuren hinterlassen. Das vermeldeten Astronomen um Judd Bowman von der Arizona State University in Tempe jüngst im Fachjournal »Nature«. Sie haben ein Radiosignal aufgefangen, das sie indirekt diesen geheimnisvollen ersten Bewohnern des Weltalls zuschreiben – und weisen so erstmals nach, dass es sie wirklich gegeben haben könnte.
Finanziert wurde ihr vor zwölf Jahren begonnenes Projekt von der amerikanischen National Science Foundation (NSF). Im Stil eines mit kleinen Videotricks aufgehübschten TED-Vortrags, der seine Zuschauer mit komplexer Physik weitgehend verschont, erklärt NSF-Mitarbeiter Peter Kurczynski nun, worum es bei der Entdeckung geht.
Wer sie würdigen will, muss wissen, wie alles begann. Theoretiker glauben, dass der Baby-Kosmos vor allem von Wasserstoff und Dunkler Materie erfüllt war. Hinzu kamen Helium und Spuren von Lithium, auch diese beiden Elemente waren schon kurz nach dem Urknall entstanden.
Doch zunächst fehlten dem Universum physische Strukturen, stattdessen war es von waberndem Gas erfüllt. Die Dunkle Materie soll dann dafür gesorgt haben, dass aus bestehenden lokalen Dichteschwankungen die ersten größeren Strukturen wuchsen und sich – viel später – auch Galaxien und Galaxienhaufen formten. Die Geburt von Sternen vollzog sich hingegen auf kleineren Skalen. Die Schwerkraft zog Wasserstoffatome zu Gasverklumpungen zusammen, die sich allmählich erhitzten und schließlich zündeten – die ersten Sonnen leuchteten auf.
Genau dieses Aufleuchten lässt sich heute noch nachweisen. Denn das von den ersten Sternen ausgehende ultraviolette Licht veränderte bestimmte energetische Übergänge des Wasserstoffs in den umliegenden Gaswolken. So konnte der Wasserstoff Strahlungsquanten der kosmischen Hintergrundstrahlung absorbieren, einer allgegenwärtigen Mikrowellenstrahlung, die etwa 380 000 Jahre nach dem Urknall entstanden war.
Den Absorptionseffekt, bei der charakteristischen Radiowellenlänge von 21 Zentimetern, haben die Astronomen nun nachgewiesen: Bei einer bestimmten Wellenlänge – die ursprünglichen 21 Zentimeter wurden seither durch die Expansion des Universums stark in den langwelligen Teil des Spektrums verschoben – "fehlt" gewissermaßen ein kleiner Teil der kosmischen Hintergrundstrahlung. Indem die Forscher anschließend berechneten, wie lange es gedauert haben muss, bis die ursprüngliche Wellenlänge ihren heutigen Wert erreicht hat, konnten sie die seither vergangene Zeitspanne bestimmen und datierten das erste Aufleuchten der Ursterne schließlich auf 180 Millionen Jahre nach dem Urknall.
Außerdem fanden sie heraus, wann die Pracht wieder vorbei war. Als die ersten Ursterne starben und dabei starke Röntgenstrahlung aussandten, verschwand auch das Signal – weitere rund 70 Millionen Jahre später.
Fast noch spannender ist indessen, was die Auswertung der Signalstärke ergab. Diese war unerwartet hoch, und das bedeutet: Das Wasserstoffgas im frühen Kosmos war wohl viel kälter, als es das kosmologische Standardmodell vorhersagt. Dieses Modell geht davon aus, dass Wasserstoffgas mit Dunkler Materie nur durch die Schwerkraft wechselwirkt. Doch es könnte auch weitere Mechanismen geben, mittels derer »normale« Materie Energie an Dunkle Materie verliert. Genau darüber stellt ein weiteres, zeitgleich erschienenes »Nature«-Paper Vermutungen an. Dank der ersten Sterne im Universum, so lässt es hoffen, könnten wir nun erstmals Erkenntnisse über die Dunkle Materie gewinnen, die nicht ausschließlich auf deren Schwerkraftwirkung beruhen.
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