Ein kugelförmiger Sternhaufen

Das Licht der ersten Sterne – Blick in die tiefe Vergangenheit

Schon immer stellt sich der Mensch Fragen wie: Wo komme ich her? Was kam vor mir? Wie und wo ist alles entstanden? So versuchen Menschen, sich ihre Umwelt zu erklären. Deshalb ist auch die Astronomie, eine der ältesten Wissenschaften die für unser Dasein und unserer Verständnis der Welt wichtig sind. Aus diesem Grund wurde und wird auch viel Zeit und Geld in die Forschung, Entwicklung und Techniken gesteckt, die uns letztendlich diese Fragen beantworten sollen und damit unser Verständnis der Welt, in der wir leben, erweitern sollen.

Als Antwort auf die Frage nach dem Ursprung unseres Universums hat sich heute die allgemein bekannte Urknall-, oder auch „Big Bang“-Theorie durchgesetzt. Sie ist überzeugend, da bis jetzt alle gemachten Beobachtungen mit ihren Aussagen übereinstimmen. Doch was beinhaltet diese Theorie speziell? Wie hängt sie mit den ersten Sternen zusammen?

Die Urknalltheorie beschreibt die Entstehung unseres Universums wie folgt: Am Anfang steht eine sogenannte Singularität gestellt. Diese Erscheinung stellt in einem Punkt vereint eine quasi unendliche Energiedichte dar. Die Eigenschaften, die diesen Zustand charakterisieren, sind für Menschen unvorstellbar. Wer kann schon nachvollziehen, was in so einem Ort, der dazu noch keine Ausdehnung besitzt und in dem es Zeit, wie wir sie kennen, nicht existiert, vor geht?

Schematische Darstellung der Entwicklung unseres Universums

Aus einem noch nicht geklärten Grund wurde dieser Punkt instabil und begann zu expandieren. Da immer mehr Raum vorhanden war – oder überhaupt erst einmal Raum existierte –, verteilte sich die Energie und begann, sich durch Abkühlen des Raums allmählich in Materie umzuwandeln. Durch die extremen Bedingungen war das junge Universum immer noch sehr heiß, kühlte in der Folge aber rasant ab.

Sieben Phasen der Entstehung

Um die vorherrschenden Zustände und Bedingungen zu ordnen, wird die folgende Zeit in sieben Phasen eingeteilt, die hier nur kurz angerissen werden sollen.

Kurz nach den Urknall (\(10^{-43}~\mathrm{s}\)) herrschten die Bedingungen der Planck-Ära: Bei extrem hohem Druck und Temperatur sind noch alle 4 großen Kräfte (Gravitation; elektromagnetische Kraft; schwache und starke Kraft) vereint. Aus der Planck-Ära ist bis jetzt wenig sicher bekannt, doch man vermutet, dass sich an ihrem Ende die Gravitation von den anderen drei Kräften abspaltete und so den Übergang zur sogenannten GUT-Ära (Great Unifying Theory – eine Theorie, die alle Kräfte außer der Gravitation vereint beschreibt) bildete.

Dabei entstand, entgegen der eigentlichen Symmetrie von Materie und Antimaterie, ein geringer Überschuss an Materie, was dazu führte, dass unser heutiges Universum von Materie dominiert wird – und wir überhaupt existieren. Bei einer streng symmetrischen Verteilung von 1:1 hätten sich Antimaterie und Materie gegenseitig annihiliert, und das Universum wie wir es kennen hätte nicht entstehen können.

Darauf folgt die Ära des inflationären Universums: Das Universum dehnte sich in diesem Abschnitt sehr schnell aus. Diese Annahme ist auch schon von einigen Beobachtungen gestützt worden. Die Theorie sagt beispielsweise voraus, dass das Universum großräumig eine relativ homogene (gleichförmige) Dichteverteilung besitzt. Dies wurde durch die Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung bestätigt. Dies ist eine isotrope (richtungsunabhängige) Mikrowellenstrahlung, die als Relikt aus dem jungen Universum gilt und der Strahlung einer Temperatur von \(2{,}725~\mathrm{K}\) entspricht. Bei genauerer Beobachtung fiel auf, dass diese Strahlung homogen über den ganzen Himmel verteilt ist. Dabei detektiert man lediglich sehr kleine Abweichungen, die \(0{,}0002~\mathrm{K}\) entsprechen.

Darstellung der Abweichungen des kosmischen Hintergrundstrahlung

Dies untermauert die Theorie einer inflationären Ausdehnung, da ansonsten bestimmte Bereiche miteinander interagiert hätten und sich dadurch anders entwickelt hätten – etwa so, dass man dadurch heute größere Dichtefluktuationen beobachten könnte. Diese Expansion des Universum setzt sich bis heute fort, hat sich aber stark verlangsamt. In der folgenden Periode, der Quark-/Hadronen-/Leptonen-Ära, bildeten sich die uns bekannten Teilchen. Außerdem entstanden dabei auch die ersten Elemente, die zu dieser Zeit noch allein aus Wasserstoff, Helium (mit einem Verhältnis von 3:1) und einer sehr kleinen Menge Lithium bestanden.

Die ersten Sterne entdeckt?

Von da an konnten sich die ersten Sterne bilden, über die dieser Artikel berichten soll. Allgemein sollte man wissen, dass Sterne in zwei bekannte und eine bisher theoretische Population eingeteilt werden. Die Unterscheidung besteht darin, dass man Sterne nach aus dem Spektrum ablesbaren Merkmalen einer Population zuordnet.

Population II (alte Sterne) wird dabei durch wenige Metalllinien und viel Wasserstoff charakterisiert. Vor einiger Zeit galten sie noch als die ersten Sterne, aus denen dann die Population I–Sterne (jüngere Sterne), wie unsere Sonne einer ist, entstanden sein sollten. Diese Population-I-Sterne erkennt man daran, dass sie vergleichsweise viel Metall beinhalten und der Heliumanteil gegenüber dem Wasserstoffanteil deutlich zugenommen hat. Seit einiger Zeit gibt es Hypothesen über die Existenz von Sternen einer Population III, die Vorgänger von Population II und somit auch die allerersten Sterne sein sollen, die sich direkt nachdem die ersten Elemente entstanden, bildeten.

CR7 in verschiedenen Wellenlängenbereichen

Anfang Juni wurde dazu eine Forschungsarbeit mit dem Titel publiziert: „Evidence for PopIII-like stellar populations in the most luminous Lyman-α emitters at the epoch of re-ionization: Spectroscopic confirmation“ Der Titel „Beweis für Population III-artige Sterne“, klingt für Astronomen faszinierend und hat schon viel Interesse geweckt, etwa bei dem Wissenschafts-Blogger Florian Freistetter. Manche bezeichnen diese sogar als die astronomische Entdeckung des Jahres. Doch was wurde eigentlich beobachtet, woraus die Wissenschaftler Population III-Sterne schließen?

Ein Forscherteam um David Sobral in Lissabon (Portugal) hat ein Objekt beobachtet, das eine enorme Hα-Emission aufweist: Das entspricht den Lichtquanten, die ausgesendet werden, wenn ein einfach ionisiertes Wasserstoffatom in seinen Grundzustand zurückfällt. Dazu weist das Objekt eine riesige Rotverschiebung auf: Durch den Dopplereffekt wird das Licht des beobachteten Objekts, das sich wie die meisten Galaxien von uns als Betrachter wegbewegt, „gestreckt“ und dadurch rötlicher. Außerdem sorgt auch die Expansion des Universums selbst dafür, dass das Licht eine sogenannten Rotverschiebung aufweist. Bedenkt man beide Ursachen für die Verschiebung, lässt sich auf eine sehr große Entfernung des beobachteten Objekts schließen.

Wie schon erwähnt dehnt sich das Universum immer noch aus, und die Lichtgeschwindigkeit ist begrenzt auf etwa \(300\,000~\frac{\mathrm{km}}{\mathrm{s}}\). Das von uns hier auf der Erde beobachtete Licht braucht einige Zeit, um uns von seiner Quelle zu erreichen. Deshalb sieht man, wenn man das Licht der Sterne beobachtet, gewissermaßen in die Vergangenheit, auf einen Körper, der so vielleicht gar nicht mehr existiert. Würde etwa die Sonne erlöschen, würde man dies deshalb auf der Erde erst nach etwa acht Minuten feststellen. In dem oben beschriebenen Fall heißt dass, das man Sterne beobachtet hat, die extrem alt sind.

Spektrum von CR7 und MASOSA

Das Faszinierende daran ist nun, dass die aufgenommen Spektren des Objekts namens „CR7“ eine Rotverschiebung von z = 6,604 aufweisen. Diese beiden gehören damit zu den am weitesten entfernten, und damit möglicherweise ältesten Objekten, die je beobachtet wurden. Auch ihre Helligkeit ist besonders: CR7 strahlt siebenmal so viel Licht im Lyman-α-Bereich ab, wie bei den stärksten jemals detektierten Lyman-α-Emissionen aus Galaxien. In ihrem Spektrum finden sich außerdem kaum Metalllinien und extrem große H- und He-Absorptionslinien. Vor allem fällt aber die schon erwähnte übermäßige H(α)-Emission auf. Dies sind Anzeichen dafür, dass die beobachtete Sternpopulation noch ziemlich jung ist und erst wenige schwerere Elemente mithilfe der Kernfusion produzieren konnte.

Künstlerische Darstellung der Galaxie CR7

Diese und weitere Hinweise, etwa zu anderen Spektrallinien und den Temperaturen der Sterne, passen zu den Eigenschaften, die man bei Population-III-Sternen erwarten würde. Natürlich werden die gemachten Beobachtungen noch geprüft, und es gibt auch alternative Erklärungen, wie es zu einer solchen Beobachtung kommen konnte. Außerdem ist die Auflösung noch mangelhaft, und es ist nicht ausgeschlossen, dass eine andere größere Population einer anderen Sterne oder ein aktiver Galaxienkern hinter dem entdeckten Objekt steckt. Aber bis dahin stellt diese Entdeckung und ihre Interpretation eine enorme Bereicherung für unser Verständnis der Entstehung des Universums dar, und bringt uns der Antwort, die wir so verzweifelt suchen, wieder einen Schritt näher.