Astronomen sagen, sie hätten die ersten Sterne des Universums entdeckt

Eine Gruppe von Astronomen, die über Daten des James-Webb-Weltraumteleskops (JWST) brüten, hat Licht von einem seltenen Heliumisotop in einer fernen Galaxie gesehen, was auf das Vorhandensein der allerersten Sternengeneration des Universums hindeuten könnte.

Diese lange gesuchten Sterne mit dem unpassenden Namen „Population III“ wären gigantische Kugeln aus Wasserstoff und Helium gewesen, die aus dem Urgas des Universums geformt wurden. Theoretiker begannen in den 1970er Jahren mit der Vorstellung dieser ersten Feuerbälle und stellten die Hypothese auf, dass sie nach kurzer Lebensdauer als Supernovae explodierten, schwerere Elemente schmiedeten und sie in den Kosmos schleuderten. Aus diesem Sternenmaterial entstanden später Sterne der Population II, die reichlicher an schweren Elementen waren, dann noch reichere Sterne der Population I wie unsere Sonne, sowie Planeten, Asteroiden, Kometen und schließlich das Leben selbst.

„Wir existieren, deshalb wissen wir, dass es eine erste Generation von Sternen gegeben haben muss“, sagte er Rebekka Bowler, Astronom an der University of Manchester im Vereinigten Königreich.

Jetzt glauben Xin Wang, Astronom an der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Peking, und seine Kollegen, sie gefunden zu haben. „Es ist wirklich surreal“, sagte Wang. Eine Bestätigung ist noch erforderlich; das Teampapier, auf dem Preprint-Server arxiv.org gepostet am 8. Dezember, wartet auf Peer-Review bei Natur.

Auch wenn sich die Forscher irren, ist ein überzeugender Nachweis der ersten Sterne möglicherweise nicht mehr weit entfernt. JWST, das ist große Teile der Astronomie transformierenEs wird angenommen, dass er in der Lage ist, weit genug in Raum und Zeit zu blicken, um sie zu sehen. Das gigantische schwimmende Teleskop hat bereits weit entfernte Galaxien entdeckt, deren ungewöhnlich Helligkeit deutet darauf hin, dass sie Sterne der Population III enthalten könnten. Und andere Forschungsgruppen, die mit JWST die Sterne entdecken wollen, analysieren jetzt ihre eigenen Daten. „Das ist absolut eine der heißesten Fragen“, sagte er Mike Norman, ein Physiker an der University of California, San Diego, der die Sterne in Computersimulationen untersucht.

Eine endgültige Entdeckung würde es Astronomen ermöglichen, die Größe und das Aussehen der Sterne zu untersuchen, wann sie existierten und wie sie in der ursprünglichen Dunkelheit plötzlich aufleuchteten.

"Es ist wirklich eine der grundlegendsten Veränderungen in der Geschichte des Universums", sagte Bowler.

Bevölkerung III

Etwa 400,000 Jahre nach dem Urknall haben sich Elektronen, Protonen und Neutronen so weit beruhigt, dass sie sich zu Wasserstoff- und Heliumatomen verbinden. Als die Temperatur weiter sank, klumpte dunkle Materie allmählich zusammen und zog die Atome mit sich. In den Klumpen wurden Wasserstoff und Helium durch die Schwerkraft zerquetscht und kondensierten zu riesigen Gasbällen, bis, sobald die Bälle dicht genug waren, plötzlich eine Kernfusion in ihren Zentren zündete. Die ersten Sterne wurden geboren.

Der deutsche Astronom Walter Baade kategorisiert 1944 die Sterne in unserer Galaxie in die Typen I und II. Ersteres umfasst unsere Sonne und andere metallreiche Sterne; Letzteres enthält ältere Sterne aus leichteren Elementen. Die Idee der Population-III-Sterne tauchte Jahrzehnte später in der Literatur auf. In einer Arbeit von 1984, die ihr Profil schärfte, sagte der britische Astrophysiker Bernard Carr beschrieb die entscheidende Rolle Diese ursprüngliche Rasse von Stars könnte im frühen Universum gespielt haben. „Ihre Hitze oder Explosionen könnten das Universum reionisiert haben“, schrieben Carr und seine Kollegen, „… und ihre Ausbeute an schweren Elementen hätte einen Ausbruch prägalaktischer Anreicherung hervorrufen können“, was spätere Sterne entstehen ließ, die reicher an schwereren Elementen waren.

Carr und seine Co-Autoren schätzten, dass die Sterne aufgrund des großen Volumens an Wasserstoff- und Heliumgas, das im frühen Universum verfügbar war, zu immensen Größen angewachsen sein könnten, die zwischen einigen hundert und 100,000 Mal massereicher als unsere Sonne waren.

Die am schwereren Ende des Bereichs, sogenannte supermassive Sterne, wären relativ kühl, rot und aufgebläht gewesen, mit Größen, die fast unser gesamtes Sonnensystem umfassen könnten. Dichtere, bescheidenere Varianten von Sternen der Population III hätten mit Oberflächentemperaturen von etwa 50,000 Grad Celsius heißblau geleuchtet, verglichen mit nur 5,500 Grad bei unserer Sonne.

Im Jahr 2001 erklärten Computersimulationen unter der Leitung von Norman wie so große Sterne entstehen konnten. Im gegenwärtigen Universum zerfallen Gaswolken in viele kleine Sterne. Aber die Simulationen zeigten, dass Gaswolken im frühen Universum, die viel heißer als moderne Wolken waren, nicht so leicht kondensieren konnten und daher weniger effizient bei der Sternentstehung waren. Stattdessen würden ganze Wolken zu einem einzigen riesigen Stern zusammenfallen.

Ihre immensen Ausmaße bedeuteten, dass die Sterne kurzlebig waren und höchstens einige Millionen Jahre überlebten. (Massivere Sterne verbrauchen ihren verfügbaren Treibstoff schneller.) Als solche hätten Sterne der Population III in der Geschichte des Universums nicht lange überdauert – vielleicht ein paar hundert Millionen Jahre, als sich die letzten Taschen aus Urgas auflösten.

Es gibt viele Unsicherheiten. Wie massiv sind diese Sterne wirklich geworden? Wie spät im Universum existierten sie? Und wie häufig waren sie im frühen Universum? "Sie sind völlig andere Sterne als die Sterne in unserer eigenen Galaxie", sagte Bowler. „Das sind einfach so interessante Objekte.“

Da sie so weit entfernt sind und so kurz existierten, war es eine Herausforderung, Beweise für sie zu finden. 1999 sagten Astronomen der University of Colorado in Boulder jedoch voraus, dass die Sterne dies tun sollten eine verräterische Signatur erzeugen: eine bestimmte Lichtfrequenz von Helium-2. Diese instabile Form von Helium enthält nur zwei Protonen in ihrem Kern, während normales Helium auch zwei Neutronen hat. „Die Heliumemission stammt eigentlich nicht aus den Sternen selbst“, erklärte James Trussler, Astronom an der Universität Manchester; Vielmehr entstand es, als energiereiche Photonen von den heißen Oberflächen der Sterne in das Gas eindrangen, das den Stern umgab.

"Es ist eine relativ einfache Vorhersage", sagte Daniel Schaerer von der Universität Genf, der erweiterte die Idee im Jahr 2002. Die Jagd war eröffnet. 

Auf der Suche nach den ersten Sternen

2015 dachten Schaerer und seine Kollegen, sie hätten etwas gefunden. Sie einen möglichen Hinweis entdeckt einer Helium-2-Signatur in einer entfernten, primitiven Galaxie, die möglicherweise mit einer Gruppe von Sternen der Population III in Verbindung gebracht wurde. So gesehen, wie sie 800 Millionen Jahre nach dem Urknall erschien, sah die Galaxie so aus, als ob sie den ersten Beweis für die ersten Sterne im Universum enthalten könnte.

Spätere Arbeiten unter der Leitung von Bowler bestritten die Feststellungen. „Wir haben Beweise für eine Sauerstoffemission von der Quelle gefunden. Das schloss ein reines Population-III-Szenario aus“, sagte sie. Eine unabhängige Gruppe dann konnte die Helium-2-Linie nicht erkennen vom ersten Team gesehen. »Es war nicht da«, sagte Bowler.

Könnten andere besser abschneiden?

Astronomen setzten ihre Hoffnungen auf JWST, das im Dezember 2021 gestartet wurde. Das Teleskop mit seinem riesigen Spiegel und seiner beispiellosen Empfindlichkeit gegenüber Infrarotlicht kann leichter in das frühe Universum blicken als jedes Teleskop zuvor. (Da Licht Zeit braucht, um hierher zu gelangen, sieht das Teleskop schwache, weit entfernte Objekte, wie sie vor langer Zeit erschienen sind.) Das Teleskop kann auch Spektroskopie durchführen, indem es Licht in seine Wellenlängen zerlegt, wodurch es nach dem Helium-2-Markenzeichen von suchen kann Sterne der Population III.

Wangs Team analysierte Spektroskopiedaten für mehr als 2,000 Ziele von JWST. Die eine ist eine ferne Galaxie, die nur 620 Millionen Jahre nach dem Urknall aussah. Laut den Forschern ist die Galaxie in zwei Teile geteilt. Ihre Analyse zeigte, dass eine Hälfte die Schlüsselsignatur von Helium-2 gemischt mit Licht von anderen Elementen zu haben scheint, was möglicherweise auf eine Hybridpopulation von Tausenden von Population III und anderen Sternen hindeutet. Die Spektroskopie der zweiten Hälfte der Galaxie muss noch durchgeführt werden, aber ihre Helligkeit deutet auf eine Population-III-reichere Umgebung hin.

„Wir versuchen, im nächsten Zyklus Beobachtungszeit für JWST zu beantragen, um die gesamte Galaxie abzudecken“, sagte Wang, um „eine Chance zu haben, solche Objekte zu bestätigen“.

Die Galaxie ist laut Norman ein „Kopfkratzer“. Wenn die Helium-2-Ergebnisse einer Überprüfung standhalten, sagte er, „ist eine Möglichkeit ein Haufen von Sternen der Population III.“ Er ist sich jedoch nicht sicher, ob Sterne der Population III und spätere Sterne sich so leicht miteinander vermischen könnten.

Daniel Walen, ein Astrophysiker an der University of Portsmouth, war ähnlich vorsichtig. „Es könnte definitiv ein Beweis für eine Mischung aus Population III- und Population II-Sternen in einer Galaxie sein“, sagte er. Obwohl dies „der erste direkte Beweis“ für die ersten Sterne des Universums wäre, sagte Whalen, „es ist kein eindeutiger Beweis“. Andere heiße kosmische Objekte können eine ähnliche Signatur von Helium-2 erzeugen, einschließlich sengender Materialscheiben, die um Schwarze Löcher wirbeln.

Wang glaubt, dass sein Team ein Schwarzes Loch als Quelle ausschließen kann, da es keine spezifischen Sauerstoff-, Stickstoff- oder ionisierten Kohlenstoffsignaturen entdeckt hat, die in diesem Fall zu erwarten wären. Die Arbeit muss jedoch noch von Experten begutachtet werden, und selbst dann müssen Folgebeobachtungen ihre potenziellen Ergebnisse bestätigen.

Heiß auf der Spur

Andere Gruppen, die JWST verwenden, jagen ebenfalls nach den ersten Sternen.

Neben der Suche nach Helium-2 soll eine weitere Suchmethode, die 2018 vom Astronomen Rogier Windhorst von der Arizona State University und Kollegen vorgeschlagen wurde, dazugehören nutze die Schwerkraft von riesigen Galaxienhaufen, um einzelne Sterne im frühen Universum zu sehen. Die Verwendung eines massiven Objekts wie eines Haufens, um Licht zu krümmen und weiter entfernte Objekte zu vergrößern (eine Technik, die als Gravitationslinseneffekt bekannt ist), ist eine gängige Methode, mit der Astronomen Ansichten entfernter Galaxien erhalten. Windhorst glaubte, dass selbst einzelne Sterne der Population III, die sich dem Rand eines schweren Sternhaufens nähern, „im Prinzip eine nahezu unendliche Vergrößerung erfahren könnten“ und ins Blickfeld rücken könnten, sagte er.

Windhorst leitet nämlich ein JWST-Programm Versuch der Technik. „Ich bin ziemlich zuversichtlich, dass wir in ein oder zwei Jahren einige gesehen haben werden“, sagte er. „Wir haben schon einige Kandidaten.“ Ähnlich verhält es sich mit Eros Vanzella, einem Astronomen am Nationalen Institut für Astrophysik in Italien ein Programm leiten das untersucht einen Klumpen von 10 oder 20 Kandidatensternen der Population III unter Verwendung von Gravitationslinsen. „Wir spielen jetzt nur mit den Daten“, sagte er.

Und es bleibt die verlockende Möglichkeit, dass einige der unerwartet helle Galaxien bereits im frühen Universum von JWST gesehen, könnten ihre Helligkeit massereichen Sternen der Population III verdanken. „Das sind genau die Epochen, in denen wir erwarten, dass sich die ersten Sterne bilden“, sagte Vanzella. „Ich hoffe … dass in den nächsten Wochen oder Monaten die ersten Sterne entdeckt werden.“