Wie wurden die ältesten Sternenrelikte in der Milchstraße von chinesischen Wissenschaftlern entdeckt?

Vor 13,8 Milliarden Jahren, als das Universum entstand, entstanden beim Urknall große Mengen Wasserstoff, Helium und extrem kleine Mengen Lithium. In einer solchen Umgebung wurde die erste Generation von Sternen in unserem Universum geboren und erleuchtete zum ersten Mal das gesamte Universum.

Im Jahr 2005 gab das Magazin Science anlässlich seines 125-jährigen Jubiläums die 125 schwierigsten wissenschaftlichen Probleme bekannt, und die erste Generation von Sternen befand sich auf der Liste. Bis heute sind die Eigenschaften der ersten Sternengeneration ein wichtiges wissenschaftliches Problem, das gelöst werden muss, und sie sind sogar eines der wichtigsten wissenschaftlichen Ziele des James-Webb-Weltraumteleskops.

Wie sah die erste Generation von Sternen aus? Der Legende nach konnten sie sehr groß und schwer sein, aber wie groß konnten sie wirklich sein? Fünfzig Sonnen? Oder hundert Sonnen? Diese Fragen beschäftigen Astronomen seit vielen Jahren.

Doch erst kürzlich, am 7. Juni 2023, veröffentlichte die internationale Fachzeitschrift Nature online eine wichtige Entdeckung unter der Leitung chinesischer Astronomen. Sie entdeckten erstmals die Überreste, die nach dem Tod der ersten Generation supermassereicher Sterne in der Milchstraße übrig geblieben waren, und bestätigten damit, dass dieses Relikt aus einer Paarinstabilitäts-Supernova (PISN) stammte. Mit anderen Worten: Die Masse dieser ersten Sternengeneration beträgt das 260-fache der Sonnenmasse! Es handelt sich um einen wahrhaft supermassiven Stern.

Einer der Hauptakteure, die den chinesischen Astronomen bei dieser bedeutenden Entdeckung geholfen haben, ist das LAMOST-Teleskop, auch bekannt als Guo-Shoujing-Teleskop, das von meinem Land unabhängig entwickelt wurde. LAMOST hat den technischen Engpass durchbrochen, der darin besteht, bei Teleskopen sowohl eine große Öffnung als auch ein großes Sichtfeld zu erreichen. Es ist derzeit das weltweit größte Teleskop mit großer Öffnung. Darüber hinaus wurde das weltweit erste Himmelsdurchmusterungsprojekt abgeschlossen, bei dem ein Spektrum der über 10 Millionen Sterne der Milchstraße veröffentlicht wurde.

LAMOST konzentriert sich auf die drei zentralen wissenschaftlichen Ziele der Struktur und Entwicklung der Milchstraße, der Kreuzidentifikation von Himmelskörpern in mehreren Bändern und der galaktischen Physik und hat die erste Phase einer fünfjährigen Spektraluntersuchung erfolgreich abgeschlossen. Die zweite Phase der Untersuchung steht kurz vor ihrem perfekten Abschluss. In der letzten 10. Datenveröffentlichung hat die Menge der von LAMOST erhaltenen Spektraldaten das 2,9-fache der Gesamtzahl der von anderen Durchmusterungsteleskopen der Welt veröffentlichten Spektren erreicht! Mithilfe dieser umfangreichen und umfangreichen Beobachtungsdaten haben Astronomen im In- und Ausland viele interessante und wichtige wissenschaftliche Entdeckungen in den Bereichen der Milchstraßenforschung, der Sternphysik und der Suche nach besonderen Himmelskörpern gemacht. Beispiele hierfür sind die Aufklärung des Wachstumsprozesses in der Kindheit der Milchstraße, die Entdeckung des massereichsten stellaren Schwarzen Lochs, die Verfolgung intergalaktischer Einwanderersterne in der Milchstraße, die Neudefinition der anfänglichen Massenfunktion der Sterne usw. – all dies sind wichtige Durchbrüche mit internationaler Auswirkung.

Schematische Darstellung des Sternenhimmels, Bild von Tuchong.com

Kehren wir zur ersten Generation von Sternen zurück. Die meisten dieser Vorläufersterne waren groß und hell, hatten jedoch eine extrem kurze Lebensdauer. Aufgrund der Einschränkungen der bestehenden Beobachtungsmöglichkeiten sind wir heute vorübergehend nicht in der Lage, die erste Generation von Sternen direkt zu sehen. Wie kam es also zu dieser Entdeckung? Die erste Generation von Sternen synthetisierte und produzierte während ihres Wachstums einige metallische Elemente, die schwerer als Lithium waren. Am Ende ihres kurzen Lebens stießen sie die verschiedenen metallischen Elemente, die sie produziert hatten, durch Supernova-Explosionen aus und begruben sie im sie umgebenden interstellaren Staub.

In diesem Staub wurde die zweite Generation von Sternen geboren. Ihre Oberflächenatmosphären behielten die Eigenschaften der ersten Sternengeneration perfekt bei und ihre Lebensdauer war lang genug, um bis zum heutigen Tag zu bestehen und von uns gesehen zu werden. Mit anderen Worten, sie sind das Äquivalent kosmischer Fossilien. Indem wir diese fossilen Sterne ausgraben und ihre Eigenschaften und Zusammensetzung analysieren, können wir die Umgebung während ihrer Entstehung umkehren und das Aussehen der ersten Sterngeneration rekonstruieren. Da diese fossilen Sterne äußerst selten sind, dienten die umfangreichen Daten von LAMOST auch als entscheidende „Screening“-Datenbank für diese erfolgreiche Entdeckung.

Dieses Mal ist es uns nicht nur gelungen, den bislang massereichsten Stern der ersten Generation zu bestätigen – einen „dicken Kerl“, der mehr als das 260-fache der Sonne wiegt –, sondern auch zum ersten Mal die Existenz einer besonderen Supernova zu bestätigen. 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 entsteht. Zuvor waren instabile Supernovas eher eine Legende und man kannte sie nur aus der Theorie. Und dieses Mal haben unsere chinesischen Astronomen seine Existenz endlich bestätigt.

In Zukunft werden wir mit Hilfe von in China hergestellten astronomischen Beobachtungsinstrumenten wie LAMOST und dem China Space Station Project Survey Telescope größere kosmische Fossilienproben konstruieren, das Verteilungsmuster der Masse der ersten Sternengeneration neu verstehen, den Ursprung der Elemente aufdecken und Bilder der Geburt und des Wachstums von Sternen und Galaxien im frühen Universum reproduzieren.

Dieser Artikel ist eine vom Science Popularization China Starry Sky Project unterstützte Arbeit

Autor: Li Haining

Gutachter: Han Wenbiao, Forscher am Shanghai Astronomical Observatory, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

Hersteller: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.