Wir haben den ältesten Stern aller Zeiten entdeckt, und sein „Vater“ ist ein „dicker Kerl“

Wenn man von Sternen spricht, denkt man zuerst an die Sonne. Doch die Sonne ist ein junger Stern, erst über 4 Milliarden Jahre alt. Gibt es Sterne, die älter sind als unsere Sonne? Wie sehen die ältesten und am frühesten geborenen Sterne im Universum aus?

Neueste Forschungsergebnisse zeigen, dass es unter den ersten Sternen im Universum auch „dicke Kerle“ gab.

Am 7. Juni 2023 veröffentlichte die internationale Fachzeitschrift Nature online ein wichtiges Ergebnis eines internationalen Teams unter der Leitung des Forschers Zhao Gang vom Astronomischen Observatorium der Chinesischen Akademie der Wissenschaften. Das Forschungsteam war das erste, das chemische Beweise für die Existenz von Paarinstabilitäts-Supernovas (PISNs) in den Sternen des Milchstraßen-Halos entdeckte, die durch den Kollaps der ersten Generation supermassereicher Sterne nach der Evolution entstanden. Dieses Ergebnis bestätigte, dass diese Supernova von einem supermassereichen Stern der ersten Generation mit einer Masse von bis zu 260 Sonnenmassen stammte , und hat damit unser Verständnis der Massenverteilung von Sternen der ersten Generation aufgefrischt.

Diese Schlussfolgerung lässt sich tatsächlich aus den „Fossilien“ der ersten Sternengeneration ziehen. Lassen Sie uns gemeinsam durch Milliarden von Jahren reisen und uns auf eine Reise der „Sternenarchäologie“ begeben.

Obwohl die erste Generation von Sternen im Wesentlichen verschwunden ist, tragen Sie und ich ihre Spuren.

Astronomen bezeichnen die ersten im Universum geborenen Sterne üblicherweise als erste Sternengeneration, auch bekannt als Sterne der Population III. Die kosmologische Theorie geht davon aus, dass das Universum vor 13,8 Milliarden Jahren durch den Urknall entstanden ist. Nach der Geburt des Universums herrschte eine Zeit lang überall Dunkelheit. Etwa 100 bis 200 Millionen Jahre nach dem Urknall entstand die älteste erste Generation von Sternen, die den ersten Lichtstrahl aussandte, der das Universum erhellte und zugleich den Auftakt zur Evolution der chemischen Elemente im Universum bildete.

Nach dem Urknall entstanden lediglich Wasserstoff, Helium und eine sehr geringe Menge Lithium. Man geht allgemein davon aus, dass die erste Generation von Sternen in den frühesten Gaswolken des Universums geboren wurde, die fast keine metallischen Elemente enthielten ( in der Astronomie werden alle anderen Elemente außer Wasserstoff und Helium zusammenfassend als metallische Elemente bezeichnet ). Eine effektive Kühlung durch Strahlung ist hier nicht möglich (das erste Anregungsenergieniveau von Wasserstoff- und Heliumatomen ist höher als das Anregungsenergieniveau von Metallelementen). Daher ist der Metallgehalt in der Atmosphäre dieser ältesten Sterne der ersten Generation extrem niedrig und enthält nur Wasserstoff, Helium und eine sehr geringe Menge Lithium.

Schematische Darstellung der ersten Generation von Sternen, die in der ursprünglichen Gaswolke entstanden sind (Bildnachweis: NASA)

Die Theorie besagt, dass die erste Generation von Sternen extrem massereich war[1][2], etwa zehn- bis hundertmal so massereich wie die Sonne, und dass sie eine Lebensdauer von nur wenigen Millionen Jahren hatte (denn je massereicher der Stern, desto kürzer seine Lebensdauer). Daher endete das Leben der meisten Sterne der ersten Generation bereits vor mehr als 13 Milliarden Jahren in Form heftiger Supernova-Explosionen.

Supernova-Explosion der ersten Sterngeneration (Bildquelle: National Astronomical Observatory)

Bei diesem Prozess entstehen durch Kernfusionsreaktionen neue Metallelemente, die in die Umgebung ausgestoßen werden. Diese Metalle tragen dazu bei, dass die Gaswolke strahlt und abkühlt, wodurch in der Gaswolke eine zweite Generation von Sternen mit geringerer Masse und längerer Lebensdauer entstehen kann. Eine Sterngeneration folgt der anderen nach der anderen, und der Metallgehalt jeder neugeborenen Sterngeneration wird etwas höher sein als der ihrer Vorgänger, und die Arten und Mengen der chemischen Elemente im Universum nehmen weiterhin zu. Man kann sagen, dass viele der Elemente, aus denen unser Körper besteht, ursprünglich von der ersten Generation von Sternen produziert wurden.

Allerdings ist die Lebensdauer der ersten Sternengeneration so „kurz“, dass es äußerst schwierig ist, die erste Sternengeneration direkt zu beobachten. Bis heute haben Astronomen die erste Generation von Sternen nicht wirklich beobachtet und „wie groß sie sind“ (die sogenannte Massenverteilung) war für Astronomen schon immer ein heißes Forschungsthema.

Sterne der zweiten Generation: Ich bin ein "lebendes Fossil" der Sterne der ersten Generation

Wie das Sprichwort sagt: „Wenn ein Wal stirbt, erwacht alles zum Leben.“ Obwohl die massereichen Sterne der ersten Generation verschwunden sind, wurden die bei ihrer Explosion in Supernovas freigesetzten Metallelemente von den Sternen der zweiten Generation übernommen und konserviert.

Aus den Überresten der ersten Sternengeneration ging die zweite Sternengeneration hervor (Bildquelle: National Astronomical Observatory)

Einige dieser Sterne der zweiten Generation haben eine sehr geringe Masse, die sogar geringer ist als die Masse der Sonne, und haben daher eine relativ lange Lebensdauer. Sie haben bis zum heutigen Tag überlebt und wurden von Astronomen direkt beobachtet. Damit sind sie die ältesten Sterne, die wir heute direkt beobachten können. Der Metallgehalt dieser Sterne der zweiten Generation ist sehr gering. Ihr Eisengehalt beträgt beispielsweise weniger als ein Prozent des Eisengehalts der Sonne. Astronomen bezeichnen sie üblicherweise als metallarme Sterne.

Seit langer Zeit widmen sich Astronomen der Untersuchung und Erforschung der Eigenschaften der ersten Sternengeneration, indem sie nach Sternen der zweiten Generation mit extrem niedrigem Metallgehalt suchen. Diese metallarmen Sterne, die die chemischen „Gene“ der ersten Sternengeneration in sich tragen, sind wie „lebende Fossilien“, die die älteste Geschichte des Universums aufzeichnen. Ihre Entdeckung ist daher wichtig, um zu verstehen, was in der Anfangszeit nach dem Urknall geschah.

Durch die Analyse der chemischen Zusammensetzung (Arten und Gehalte der enthaltenen Elemente) dieser bestehenden massearmen Sterne der zweiten Generation können Astronomen mithilfe von theoretischen Supernova-Modellen Rückschlüsse auf die Natur der Sterne der ersten Generation ziehen, aus denen das Material stammt, aus dem die Sterne bestehen. Dieser Analyseprozess wird von Astronomen bildlich „Sternenarchäologie“ genannt.

Darüber hinaus könnten unerwartete Gewinne möglich sein, wenn besondere Sterne der zweiten Generation gefunden werden!

Ein „lebendes Fossil“ mit besonderen Beweisen enthüllt die Geheimnisse zweier „junger“ Universen

In dieser Studie bestätigten die Forscher nicht nur die bislang massereichsten Sterne der ersten Generation, sondern auch erstmals die Existenz eines besonderen Supernova-Typs.

Lassen Sie mich zunächst etwas über den Prozess des „Todes“ der ersten Sternengeneration erzählen:

Normalerweise beenden Sterne der ersten Generation mit einer Masse von weniger als dem Hundertfachen der Sonnenmasse ihr Leben in Form einer Supernova-Explosion durch Kernkollaps. Bei Sternen der ersten Generation hingegen, deren Masse zwischen dem 140- und 260-fachen der Sonnenmasse liegt, schwächen die in ihren Kernen erzeugten Positronen-Elektronen-Paare den Strahlungsdruck im Inneren des Sterns und führen zum Kollaps des Sterns, wodurch eine Paarinstabilitäts-Supernova (PISN) entsteht.

Im Vergleich zu Kernkollaps-Supernovas sagt die Theorie voraus, dass die Produkte instabiler Supernovas eine sehr spezielle chemische Elementzusammensetzung aufweisen[4]. Das wichtigste Merkmal besteht darin, dass der Gehalt an Elementen mit ungeraden Ordnungszahlen viel geringer ist als der Gehalt benachbarter Elemente mit geraden Ordnungszahlen (auch als „Odd-Even-Effekt“ bekannt), wie beispielsweise Natrium zu Magnesium und Kobalt zu Nickel. Daher wird die zweite Generation von Sternen, die durch die Entwicklung von Paarinstabilitäts-Supernova-Produkten entstanden sind, ebenfalls seltene chemische Häufigkeitsmuster aufweisen, was Hinweise für die Suche nach den chemischen Relikten der ersten Generation supermassereicher Sterne liefert.

Allerdings sind alle oben genannten Studien theoretischer Natur und die Stichprobengröße metallarmer Sterne ist begrenzt . Bisher konnte man durch Beobachtungen keine Hinweise auf die erste Generation von Sternen mit einer Masse von mehr als dem Hundertfachen der Sonnenmasse [3] und ihren „Tod“ in Form instabiler Supernovae finden.

Im Rahmen dieser Studie startete das Forschungsteam das weltweit größte Projekt zur Suche nach metallarmen Sternen auf Grundlage des großen spektroskopischen Durchmusterungsteleskops LAMOST[5] meines Landes und erhielt eine Probe von Zehntausenden metallarmen Sternen, was der Gewinnung einer großen Zahl „lebender Fossilien“ für die Erforschung der Sternarchäologie und der frühen chemischen Evolution des Kosmos entspricht.

Anschließend bestimmte das Forschungsteam mithilfe des japanischen Subaru-Teleskops die chemische Elementzusammensetzung einer großen Zahl metallarmer Sterne genau und entdeckte als erster einen Stern mit einem äußerst besonderen Gehalt an chemischen Elementen . Es handelt sich um den Stern mit dem niedrigsten Natriumgehalt aller bekannten Sterne und die chemische Häufigkeit dieses Sterns weist zudem einen starken „Gerade-Ungerade-Effekt“ auf.

Die chemische Elementzusammensetzung von Sternen kann durch Sternspektren bestimmt werden (Bildquelle: National Astronomical Observatory)

Die verschiedenen chemisch-genetischen Eigenschaften dieses Sterns weisen darauf hin, dass er nicht durch das theoretische Kernkollaps-Supernova-Modell erklärt werden kann, stehen jedoch in hohem Maße im Einklang mit den theoretischen Berechnungsergebnissen von PISN, die eine 260-fache Sonnenmasse ergeben. Daher gehen die Astronomen davon aus, dass es sich um einen metallarmen Stern handelt, der die chemischen Überreste einer PISN aufweist. Dies liefert klare Beobachtungsbeweise für die erste Generation supermassereicher Sterne und ihre evolutionäre Entstehung von PISNs, die bisher unsichtbar waren.

Man kann sagen, dass der „Elternteil“ dieses Sterns ein „großer fetter Kerl“ mit der 260-fachen Masse der Sonne ist. Da die Lebensdauer seines „Elternteils“ sehr kurz ist, kann man auch sagen, dass es sich um den ältesten bisher beobachteten Stern handelt .

Vergleich des chemisch reichhaltigen, eigentümlichen Sterns LAMOST J1010+2358 mit Supernova-Modellen. Die roten Punkte stellen die Elementhäufigkeit von LAMOST J1010+2358 dar und die schwarzen durchgezogenen Linien stellen die Kernkollaps-Supernova mit einer Vorläufermasse von 10-mal der Sonnenmasse dar (a); die Kernkollaps-Supernova mit einer Masse von 85-mal der Sonnenmasse (b); und die Paarinstabilitäts-Supernova mit einer Masse von 260 Sonnenmassen (c).

Den Weg der „stellaren Archäologie“ beleuchten

Durch die Entdeckung dieses besonderen Sterns gelang es den Astronomen erstmals, durch Beobachtungen Hinweise auf die Existenz instabiler Supernovae der ersten Generation supermassereicher Sterne und ihrer Evolutionsprodukte zu finden. Darüber hinaus wurde durch Beobachtungen bestätigt, dass die Masse der ersten Sterngeneration mehrere Hundert Mal so groß sein kann wie die Masse der Sonne. Dies zeigt, dass instabile Supernovae im Prozess der chemischen Anreicherung im frühen Universum eine große Menge an Metallelementen beitrugen. Dies ist von großer Bedeutung für die Untersuchung des Verteilungsgesetzes der Anfangsmasse der ersten Sternengeneration und wird tiefgreifende Auswirkungen auf die Forschung zum Ursprung der Elemente, zur Sternentstehung im frühen Universum und zur chemischen Evolution von Galaxien haben.

Wann, wo und wie die Elemente entstanden sind, aus denen die Welt und unsere Körper bestehen, und wie sie die Entstehung des Lebens vorangetrieben haben – die Antworten auf diese Fragen könnten in der Geschichte der Sternentwicklung verborgen sein.

Wir gehen davon aus, dass Astronomen künftig mithilfe von LAMOST und dem China Space Station Engineering Survey Telescope weitere Sterne mit einem besonderen Gehalt an chemischen Elementen entdecken werden, sodass die Menschheit mehr chemische Relikte der ersten Sternengeneration einfangen, durch den kosmischen Zeittunnel in die Antike reisen und das „ursprüngliche Aussehen“ der höchsten Generation von Sternen der ersten Generation und des frühen Universums erkennen und verstehen kann.

Künstlerische Darstellung der ersten Generation supermassereicher Sterne, die sich zu Paarinstabilitäts-Supernovas entwickeln. Paarinstabilitäts-Supernovae schleudern Material, das reich an mehreren Elementen ist, in das interstellare Medium und unterstützen so die Entstehung der nächsten Sternengeneration.

Quellen:

[1]Susa, H., Hasegawa, K. & Tominaga, N. Das Massenspektrum der ersten Sterne, Astrophys. J. 792, 32 (2014)

[2]Abel, T., Bryan, GL & Norman, ML Die Bildung und Fragmentierung primordialer Molekülwolken. Astrophys. J. 540, 39–44 (2000)

[3]Ishigaki, MN, Tominaga, N., Kobayashi, C. & Nomoto, K. Die anfängliche Massenfunktion der ersten Sterne, abgeleitet aus extrem metallarmen Sternen. Astrophys. J. 857, 46 (2018)

[4]Heger, A. & Woosley, SE Die nukleosynthetische Signatur der Population III. Astrophys. J. 567, 532–543 (2002)

[5] Zhao, G., Zhao, Y.-H., Chu, Y.-Q., Jing, Y.-P. & Deng, L.-C. LAMOST-Spektraluntersuchung – Ein Überblick. Forschung in Astron. und Astrophysik. 12, 723–734 (2012)

Autor: Xing Qianfan und Li Shuang

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