VLT
Spuren der Explosionen der ersten Sterne im Universum
von Stefan Deiters
astronews.com
4. Mai 2023

Mithilfe des Very Large Telescope der europäischen Südsternwarte ESO wurden drei weit entfernte Gaswolken entdeckt, bei denen es sich um die Überreste der ersten Sternexplosionen im Universum handeln könnte. Das Forschungsteam verspricht sich von den Beobachtungen neue Hinweise auf die Beschaffenheit der ersten Sterne, die direkt nach dem Urknall entstanden sind.

Mit dem Very Large Telescope haben Astronomen drei weit entfernte Gaswolken entdeckt, bei denen es sich um die Überreste der Explosionen der ersten Sterne handeln könnte (künstlerische Darstellung). Bild: ESO / L. Calçada, M. Kornmesser  [Großansicht]

"Zum ersten Mal konnten wir die chemischen Spuren der Explosionen der ersten Sterne in sehr weit entfernten Gaswolken identifizieren", sagt Andrea Saccardi, Doktorand am Observatoire de Paris, der die jetzt vorgestellte Studie im Rahmen seiner Masterarbeit an der Universität Florenz durchgeführt hat. In der Astronomie geht man heute davon aus, dass die ersten Sterne, die sich im Universum gebildet haben, ganz anders beschaffen waren als die Sonnen in unserer Nachbarschaft: Als sie nämlich vor 13,5 Milliarden Jahren entstanden, gab es im Universum praktisch nur Wasserstoff und Helium, da schwerere Elemente noch nicht im Inneren von Sternen erzeugt worden sein konnten.

Entsprechend sollten die ersten Sterne nur aus diesen beiden Elementen bestehen. Sie dürften zudem zehn- bis viele hundert Mal massereicher gewesen sein als unsere Sonne und explodierten sehr schnell wieder in gewaltigen Supernova-Explosionen. Das dabei ins All geschleuderte Gas reicherte das Universum zum ersten Mal mit schwereren Elementen an, aus denen sich dann weitere Sterngenerationen bilden konnten. Obwohl diese ersten Sterne schon lange nicht mehr existieren, lässt sich doch etwas über sie herausfinden: "Ursterne können indirekt untersucht werden, indem man die chemischen Elemente nachweist, die sie nach ihrem Tod in ihrer Umgebung verteilt haben", sagt Stefania Salvadori, Professorin an der Universität Florenz.

Mithilfe von Daten, die mit dem Very Large Telescope (VLT) der europäischen Südsternwarte ESO in Chile gewonnen wurden, fand das Team drei sehr weit entfernte Gaswolken, die entstanden sein müssen, als das Universum gerade einmal 10 bis 15 Prozent seines heutigen Alters hatte und deren "chemischer Fingerabdruck" dem entspricht, was die Forschung von den Überresten der Explosionen der ersten Sterne erwartet. Je nach Masse eines Sterns und der Energie der Supernova-Explosion am Ende ihres kurzen stellaren Lebens werden verschiedene chemische Elemente wie Kohlenstoff, Sauerstoff und Magnesium oder auch Eisen freigesetzt. Während "leichtere" Elemente in den Hüllen der Sterne vorkommen und so bei einer Explosion vergleichsweise einfach ins All abgestoßen werden können, befindet sich Eisen im Kern eines Sterns - hier bedarf es einer energiereicheren Explosionen, um das Element freizusetzen.

Auf der Suche nach Signaturen der allerersten Sterne, die als Supernovae mit nur niedriger Energie explodierten, suchte das Team daher nach weit entfernten Gaswolken, die arm an Eisen, aber reich an anderen Elementen sind. Und genau solche Gaswolken entdeckten sie: drei weit entfernte Wolken im frühen Universum mit sehr wenig Eisen, aber viel Kohlenstoff und anderen Elementen. Die Forschenden sind überzeugt: Sie sehen hier den Fingerabdruck der Explosionen der allerersten Sterne. Eine ähnliche chemische Zusammensetzung hat man auch bei vielen alten Sternen in unserer eigenen Galaxie beobachtet, von denen man annimmt, dass sie sich aus den Überresten der ersten Sterne gebildet haben. "Unsere Entdeckung eröffnet neue Wege, um die Natur der ersten Sterne indirekt zu untersuchen, und ergänzt damit die Studien über die Sterne in unserer Galaxie", erklärt Salvadori.

Die Entdeckung der entfernten Gaswolken gelang mithilfe von Quasaren. Es handelt sich dabei um die hellen Kerne von aktiven Galaxien, in denen ein supermassereiches Schwarzes Loch gerade mit hoher Rate Material verschlingt. Dieses heizt sich - vor dem Verschwinden im Schwarzen Loch - auf extreme Temperaturen auf, was zu der beobachteten großen Helligkeit führt. Das Licht der Quasare durchquert auf dem Weg zu uns auch Gaswolken, die dann ihre spektrale Signatur hinterlassen. Mit dem X-Shooter-Instrument am VLT konnte das Licht der Quasare dann analysiert und so auch die chemischen Elemente in den entfernten Gaswolken identifiziert werden.

Über die Studie berichtet das Team in einem Fachartikel, der in der Zeitschrift Astrophysical Journal erscheinen wird.