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Sternentstehung : Ein Regelverstoß im jungen Universum

  • -Aktualisiert am

Ein Blick ins Universum mit dem Hubble-Weltraumteleskop. Mit einem blauen Quadrat markiert ist Galaxie 434625. Sie enstand vor 11 Milliarden Jahren - nach anderen Regeln als jüngere Galaxien. Bild: 3D-HST/NASA/ESA/ STScI

Warum sind in der Frühphase des Kosmos die Sterne häufiger entstanden als heute? Am Metallgehalt kann es jedenfalls nicht gelegen haben, wie eine Studie jetzt zeigt.

          Im frühen Universum war vieles anders. So bestanden beispielsweise die ersten Sterne, die sich in den Galaxien formten, fast nur aus Wasserstoff und Helium, den leichten, durch den Urknall erzeugten Elementen. Die schwereren Elemente sind erst in den Sternen selbst produziert worden, die nach ihrem Ableben einen Teil dieser Materie wiederum freisetzten. Damit veränderte sich das Reservoir, aus dem sich die späteren Sterngenerationen speisten. Unklar war bislang, warum anfangs viel mehr Sterne geboren wurden als im heutigen Universum. Möglicherweise folgte die Entwicklungsgeschichte der frühen Sternsysteme anderen Regeln als heutzutage. Hinweise darauf liefern zumindest die Beobachtungen einer internationalen Astronomengruppe unter Leitung von Masato Onodera von der ETH Zürich.

          Während in unserer Milchstraße heute nur ein bis zwei Sterne pro Jahr entstehen, waren es vor zehn Milliarden Jahren vermutlich 200 Sonnen, die jährlich geboren wurden. Bislang war die Mehrheit der Astronomen der Meinung, dass es einen klaren Zusammenhang gibt zwischen der Sternentstehungsrate und dem Anteil an Elementen schwerer als Helium, die im interstellaren Gas der jeweiligen Galaxie vorhanden sind. Zumindest deuten entsprechende Messdaten von Galaxien in unserer kosmischen Umgebung darauf hin. Danach ist die Sternentstehungsrate, bezogen auf die Gesamtmasse einer Galaxie, umso größer, je geringer der Anteil der - von den Astronomen verallgemeinert als Metalle bezeichneten - Elemente schwerer als Helium ist.

          Abhängigkeit der Sternentstehungsrate vom Metallgehalt

          Der Metallgehalt des interstellaren Gases einer Galaxie wird von verschiedenen Faktoren beeinflusst. Da ist zum einen die Sternentwicklung selber, die im Laufe der Zeit zu einem kontinuierlichen Anstieg an schwereren Elementen im Inneren der Gestirne führt: Sterne verschmelzen in ihrem Inneren beständig Wasserstoff zu Helium und in späteren Entwicklungsstadien zu schwereren Elementen, die dann am Ende zumindest teilweise als „kosmisches Erbe“ ins Universum verteilt werden. Bei sonnenähnlichen Sternen geschieht dies eher sanft, bei Supernova-Explosionen massereicher Sterne dagegen ziemlich heftig, mitunter sogar so rasant, dass ein Teil dieser mit schwereren Elementen angereicherten Gasmassen ganz aus der Galaxie herausgetrieben wird und wenig zur Steigerung des Metallanteils beiträgt.

          Die Zwerggalaxie AGC 198691 im Sternbild Kleiner Löwe Foto Nasa, Indiana University

          Zum anderen strömt auch immer wieder „frisches“, noch weitgehend ursprüngliches - und damit an schwereren Elementen armes - Gas aus dem intergalaktischen Raum nach und „verdünnt“ damit gleichsam den Metallgehalt des interstellaren Gases. Da solche Zuströme die Sternentstehungsrate ankurbeln können, erscheint die oben beschriebene Abhängigkeit der Sternentstehungsrate vom Metallgehalt des interstellaren Gases plausibel und nachvollziehbar.

          Rund 30 Millionen Lichtjahre entfernt

          Eine Abhängigkeit der Sternentstehungsrate vom Metallgehalt des interstellaren Gases lassen indes die jetzt von Onodera und seinen Kollegen im „Astrophysical Journal“ vorgestellten Messungen kaum oder gar nicht erkennen. Die Astronomen haben 41 etwa elf Milliarden Lichtjahre entfernte Galaxien mit dem Keck-Teleskop auf Hawaii ins Visier genommen und untersucht, wie groß ihr Anteil an Elementen ist, die schwerer sind als Wasserstoff und Helium. Sie konnten zwar einen generell deutlich geringeren Anteil an schwereren Elementen im interstellaren Gas dieser jungen, rund drei Milliarden Jahre alten Galaxien feststellen: Er liegt bei lediglich rund 20 Prozent des „heutigen“, in unserer kosmischen Umgebung gemessenen Wertes. Und tatsächlich ist auch die gemessene Sternentstehungsrate in dieser frühen Entwicklungsphase des Universums allgemein deutlich höher als heute. Der Befund ist aber nicht eindeutig. Denn es fehlt der bei den Galaxien in unserer Umgebung erkennbare klare Zusammenhang zwischen der jeweiligen Sternentstehungsrate und der Metallizität des interstellaren Gases.

          Möglicherweise hängt diese Beobachtung mit dem allmählich nachlassenden Zustrom an intergalaktischem Gas zusammen, der individuelle Unterschiede einzelner Galaxien heute deutlicher hervortreten lässt als damals. Interessante Hinweise in diesem Zusammenhang könnten Untersuchungen an der erst vor ein paar Jahren entdeckten blauen Zwerggalaxie AGC 198691 im Sternbild Kleiner Löwe liefern. Die von Astronomen der Indiana University in Bloomington aufgespürte Galaxie ist rund 30 Millionen Lichtjahre entfernt, nur etwa tausend Lichtjahre groß und umfasst lediglich einige Millionen Sterne sowie interstellares Gas, das nicht einmal zwei Prozent des solaren Anteils an schwereren Elementen enthält, wie im „Astrophysical Journal“ zu lesen ist. Damit ist AGC 198691 die bislang metallärmste bekannte blaue Kompaktgalaxie im lokalen Universum. Dieses Relikt aus der Frühzeit des Universums existiert gewissermaßen vor unserer kosmischen Haustür.

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