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Sternentwicklung: Aus alt mach neu

Supernova-Explosion

Die Anfangszeit des Universums gibt den Astronomen noch immer Fragen auf. 400 Millionen Jahre nach dem Urknall entstanden die ersten Sterne aus den damals vorhandenen Elementen Wasserstoff, Helium und Spuren von Lithium. Alle anderen Elemente entstanden erst später durch die Kernfusion im Inneren von Sternen. Wissenschaftler beobachten in der Frühzeit des Universums entstandene Sterne, um die ursprüngliche Zusammensetzung des Universums genauer zu erforschen.

Supernova-Explosion
Supernova-Explosion | Die Stoßwelle der Supernova 1987A in der Großen Magellanschen Wolke im Blick des Weltraumteleskops Hubble. Das interstellare Medium leuchtet durch den Aufprall der Stoßwelle hell auf und ist im Bild als elliptischer Ring sichtbar. Japanische Astronomen simulierten nun Supernova-Explosionen im frühen Universum und zeigten, dass diese die Entstehung von massearmen Sternen verursachen können.
Die Schwierigkeit dabei: Die meisten dieser ersten Sterne gibt es heute nach mehr als 13,3 Milliarden Jahren nicht mehr. Der Großteil der beobachtbaren Sterne unseres Milchstraßensystems ist deutlich jünger. Ihre Materie hat mehrere Sternengenerationen durchlaufen, wurde mehrfach durchmischt und liefert daher bestenfalls nur ein verwaschenes Bild der Zusammensetzung des frühen Universums. Die ersten Sterne waren vielfach massereicher als unsere Sonne und hauchten ihr Leben bereits wenige zehn Millionen Jahre nach ihrer Entstehung in Supernova-Explosionen aus.

Japanische Astronomen zeigen nun mit neuen Computersimulationen, dass diese Supernovae von frühen Sternen die Entstehung massearmer Sterne im jungen Universum auslösen können. Die bei der Explosion in den Weltraum geschleuderte Sternenhülle schiebt das umgebende interstellare Gas vor sich her und verdichtet es, bis es schließlich instabil wird und in einzelne Fragmente zerfällt. Innerhalb von zehn Millionen Jahren nach der Supernova können sich aus diesen Bruchstücken neue Sterne von weniger als einer Sonnenmasse bilden.

Im Gegensatz zu ihren massereichen Vorfahren sind die Leichtgewichte sehr langlebig und lassen sich heute noch beobachten. Je weniger Masse ein Stern hat, desto besser haushaltet er mit seinem Brennstoff: Die leichtesten Sterne leuchten – wenn auch nur lichtschwach – am längsten. Die massearmen Sterne aus der Frühzeit des Universums bewahren wie eine Zeitkapsel wertvolle Informationen über die Zusammensetzung des Weltalls relativ kurz nach dem Urknall.

Erst letztes Jahr entdeckte ein internationales Forscherteam einen solchen Stern im Halo unserer Milchstraße. Mit nur 80 Prozent der Masse unserer Sonne und geringen Beimischungen schwerer Elemente war er bisher ein Rätsel. Aufgrund der Zusammensetzung musste er im frühen Universum entstanden sein, auf welche Weise war jedoch unklar. Die neuen Simulationen könnten nun das fehlende Stück im Puzzle sein.

Schon frühere Untersuchungen deuteten darauf hin, dass Supernova-Explosionen die Entstehung von massearmen Sternen hervorrufen können, doch den japanischen Forschern gelang es nun zum ersten Mal, diesen Prozess vollständig im Computer nachzubilden. Sie nutzten im ersten Schritt eine Simulation der in das umgebende interstellare Gas expandierenden Sternenhülle der Supernova. Die Wissenschaftler zeigten, dass die Stoßwelle der Supernova das Gas verdichtet, dabei abgebremst wird und schließlich zu einer Fragmentierung des komprimierten interstellaren Mediums führt. Im zweiten Schritt verfolgten die Astronomen die Entwicklung der entstehenden Bruchstücke und wiesen nach, dass sie unter der eigenen Anziehungskraft kontrahieren, ein weiteres Mal zerbrechen und in der Folge massearme Sterne bilden können.

Die Wissenschaftler erhielten dieses Ergebnis unabhängig von der simulierten Zusammensetzung des interstellaren Gases und der Energie der Supernova-Explosion. In allen betrachteten Fällen wurde die abgestoßene Sternenhülle instabil und zerteilte sich in einzelne Fragmente. Stets zerfielen diese Bruchstücke in kleine Sternvorstufen (Protosterne) von 0,01 bis 0,1 Sonnenmassen. Durch Verschmelzen einzelner Protosterne bildeten sich dann Sterne von 80 Prozent der Masse unserer Sonne, ähnlich dem im letzten Jahr entdeckten Stern im Halo unserer Milchstraße.

Dennoch räumen die japanischen Forscher Einschränkungen ihrer vergleichsweise einfachen Simulationen ein. Zukünftige Rechnungen könnten zeigen, dass die Fragmentation und die Entstehung der Protosterne bereits früher nach der Supernova-Explosion einsetzen könnten. Ihre einfachen Computermodelle können als Ausgangspunkte für Nachfolgeuntersuchungen dienen, so die Astronomen. Eine direkte Möglichkeit zur Überprüfung ihrer Ergebnisse bieten zukünftige gezielte Durchmusterungen des Himmels nach weiteren leichtgewichtigen Sternen aus der Anfangszeit des Universums.

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