Direkt zum Inhalt

Astrochemie: Die frühe Geburt der schweren Elemente

Die chemischen Bausteine des Lebens sind bekanntermaßen sehr alt. Dass aber viele von ihnen sogar schon im heißen Innern der allerersten Sterne entstanden sein könnten - das verblüfft selbst Fachleute.
 Laden...
Der Blick in den Nachthimmel ist zugleich auch ein Blick in die Vergangenheit. Bis zu Milliarden von Jahren ist Licht unterwegs gewesen, das wir heute beobachten. Wenn Physiker die Entstehungsprozesse von Sternen oder Galaxien verstehen wollen, dann nutzen sie oft diese kosmische Zeitmaschine. Sie vergleichen stellare Objekte in verschiedenen Entfernungen von uns und sehen dabei frühere und spätere Entwicklungsstadien.

 Laden...
Simulation der Strukturentwicklung im frühen Universum | Eine Supercomputer-Simulation zeigt unter Anwendung inhomogener Anfangsbedingungen und der physikalischen Gesetze des frühen Universums, wie die ersten Galaxien entstanden sind. In der obersten Reihe wird die gravitationsbedingte Strukturbildung der dunklen Materie gezeigt, in der zweiten Reihe das kosmische Gas und in der dritten die Temperaturverteilung. Weiße Punkte deuten die Protosterne im Gas an. Der gesamte Prozess wird von gewaltigen Schockwellen begleitet, die das umliegende Gas auf mehr als 10 000 Kelvin aufheizen.
Dieses Verfahren funktioniert allerdings nicht immer. Die Geburt der ersten Sterne im Universum beispielsweise bleibt unserer Beobachtung verborgen, weil dieses Licht für uns heute zu schwach ist oder uns aufgrund von dazwischenliegenden Gaswolken nicht erreicht.

Glücklicherweise können Physiker aber trotzdem viel über die Ereignisse im frühen Universum erfahren. Mit Hilfe von Computern simulieren sie einen Urknall und beobachten so über Milliarden von Simulationsjahren die zeitliche Entwicklung von Energie und Materie. Weil der Urknall mit einem inhomogenen Zustand hoher Dichte begann, dehnen sich im Laufe der Expansion Strukturen ungleichmäßig aus, bis sie durch die Gravitation lokal zu klumpen und zu kollabieren beginnen: die ersten Sterne entstehen.

 Laden...
Einer der ersten Sterne | Verteilung von Gasen um einen der ersten Sterne in der Simulation von Yoshida und seinen Kollegen. Die Farben geben von rot nach blau die sinkende Wasserstoffkonzentration an.
Jene Pioniersterne waren noch nicht mit den heutigen vergleichbar. Sie bestanden nur aus Wasserstoff, Helium und einem geringen Anteil von Lithium, eben den einzigen Elementen, die direkt im Urknall erzeugt worden sind.

Bislang nahmen Physiker außerdem an, dass die ersten Sterne relativ massearm waren. Da die Masse für den Druck im Innern der Sterne verantwortlich ist, hätten diese ersten Sterne somit noch nicht genügend Energie aufbringen können, um Elemente jenseits des Kohlenstoffs durch Fusion zu erzeugen.

Nach dieser Theorie wären schwerere Elemente erst nach dem Supernovatod der ersten Sterne entstanden. Durch Supernovae wird das galaktische Medium mit den Elementen der explodierenden Sterne angereichert, und so hätten Folgegenerationen von Sternen, die aus dem angereicherten Medium zusammengesetzt sind, von Anfang an aus einer höheren Anzahl von Elementen bestanden. Sie produzierten dann wieder einige der schwereren Elemente – bis schließlich nach einer längeren Generationenkette von Sternen alle heute bekannten Elemente existierten.

 Laden...
Sternentstehung | Gas und Staub kollabieren und gebähren einen der ersten Sterne – gesehen in der Computersimulation von Yoshida und seinen Kollegen.
Diese Meinung haben Naoki Yoshida von der Nagoya University und Kollegen jetzt mit Hilfe einer der derzeit auflösungsstärksten Simulationen erschüttert [1]. Die Forscher vernachlässigten in ihrem Programm störende Magnetfelder, die erst im heutigen Universum existieren und das Verständnis aktueller Sternentwicklung kompliziert machen. Ferner verwendeten sie in ihrem Code – anders als viele frühere Simulationen – keine makroskopische Zustandsgleichung für das Urgas. Vielmehr ließen sie allein die physikalischen und chemisch-molekularen Gesetze die Strukturentwicklung bestimmen.

Als die Computersimulation der Forscher um Yoshida das Zeitalter der Sternenformation erreichte, sammelten die ersten Sterne über eine Akkretionsscheibe mehr Masse an als erwartet. Tatsächlich konnten die Forscher berechnen, dass der Druck im Zentrum solcher Sterne ausreichte, um bereits schwerere Elemente als nur Kohlenstoff zu erzeugen.

 Laden...
Ionisiertes Gas der ersten Sterne | Die ersten Sterne haben große Blasen von ionisierter Strahlung (blau) in das umgebende Gas (grün) abgegeben. Die ersten Galaxien werden aus diesem Gas entstehen. Auf dem Bild zeigt die Simulation das Universum, wie es womöglich 300 Millionen Jahre nach dem Urknall aussah. Das Fenster hat eine Breite von einer Million Lichtjahre.
Wenn sich die Ergebnisse bestätigen, so bedeutet das eine wichtige Neuerung in der Astrophysik. Denn die Diversität von Elementen in Sternen wurde bislang beispielsweise auch zur Altersanalyse verwendet. Wenn die ersten Sterne mehr schwere Elemente erzeugt haben als bislang gedacht, dann besaß bereits die zweite Sternengeneration eine größere Anzahl davon. Sind ältere Sterne also doch bereits reicher an schweren Elementen als gedacht, dann muss vielleicht das Alter mancher Sternen oder Galaxien, die nach der Methode der Elementhäufigkeit datiert worden sind, korrigiert werden.

Aber Yoshidas Simulation wird möglicherweise auch helfen, die heutige Sternentstehung besser zu verstehen. Die einfachen Bedingungen im frühen Universum können Physikern wie ein Wörterbuch sein, dessen Inhalt sie teilweise auf die komplexere heutige Sternentstehung übertragen können. Somit agiert das zur Simulation eingesetzte Computerprogramm, das den Namen 'Rosetta Stone' trägt, tatsächlich wie ein kosmischer Übersetzer, so Astrophysiker Volker Bromm von der University of Texas [2].

Lesermeinung

Beitrag schreiben

Wir freuen uns über Ihre Beiträge zu unseren Artikeln und wünschen Ihnen viel Spaß beim Gedankenaustausch auf unseren Seiten! Bitte beachten Sie dabei unsere Kommentarrichtlinien.

Tragen Sie bitte nur Relevantes zum Thema des jeweiligen Artikels vor, und wahren Sie einen respektvollen Umgangston. Die Redaktion behält sich vor, Leserzuschriften nicht zu veröffentlichen und Ihre Kommentare redaktionell zu bearbeiten. Die Leserzuschriften können daher leider nicht immer sofort veröffentlicht werden. Bitte geben Sie einen Namen an und Ihren Zuschriften stets eine aussagekräftige Überschrift, damit bei Onlinediskussionen andere Teilnehmer sich leichter auf Ihre Beiträge beziehen können. Ausgewählte Lesermeinungen können ohne separate Rücksprache auch in unseren gedruckten und digitalen Magazinen veröffentlicht werden. Vielen Dank!

  • Quellen
[1] Yoshida, N. et al.: Protostar Formation in the Early Universe. In: Science 321, S. 669–671, 2008.
[2] Bromm, V.: The Cosmic Rosetta Stone. In: Science 321, S. 647–648, 2008.

Partnerinhalte