Den ersten Sternen auf der Spur

Ein Forschungsteam ist im Halo der Milchstraße auf einen ungewöhnlichen Stern gestoßen: Die chemische Zusammensetzung seiner Atmosphäre zeigt, dass er aus den Überresten eines der ersten Sterne im Kosmos entstanden sein muss. Bislang hatte man vergeblich nach Spuren in der Atmosphäre solcher Sterne gesucht. Die Beobachtungen bestätigen theoretische Vorhersagen, nach denen diese frühen Sterne sehr massereich waren, so die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im Fachblatt „Nature“.

Kurz nach dem Urknall vor rund 13,8 Milliarden Jahren sind zunächst Wasserstoff, Helium und ein wenig Lithium entstanden. Etwa hundert Millionen Jahre danach bildeten sich daraus die ersten Sterne. Da erst später schwerere Elemente entstanden sind, unterschieden sich auch die ersten Sterne erheblich von denen im heutigen Kosmos: Sie enthielten mehrere hundert Mal mehr Masse. Entsprechend verlief auch ihre Entwicklung anders – sie waren heißer, verbrauchten ihren Brennstoff rascher und existierten deshalb nur wenige Millionen Jahre.

Auch das explosive Ende dieser Sterne unterschied sich von der Art von Supernovae, in der spätere Sterne enden können. In urzeitlichen Sternen mit dem 140- bis 260-Fachen der Sonnenmasse kam es bei deren Explosion zunächst zu einer sogenannten Paar-Instabilität: Die im Stern erzeugte Strahlung wurde so energiereich, dass Paare aus Elektronen und Positronen entstanden. Schließlich brach das Innere des Sterns zu einem Schwarzen Loch zusammen. Die äußeren Schichten wurden explosionsartig ins Weltall abgestoßen – in einer Explosion, die ein Vielfaches energiereicher ist als eine gewöhnliche Supernova. „Trotz jahrzehntelanger Anstrengungen ist es bislang aber nicht gelungen, den Abdruck dieser extrem massereichen Sterne nachzuweisen“, erläutern Qian-Fan Xing von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und sein Team.

Doch in den Daten des Spezialteleskops LAMOST stießen sie nun auf einen alten Stern mit einer ungewöhnlichen chemischen Zusammensetzung, die ihn deutlich von anderen Sternen unterschied. Weitere Beobachtungen mit dem Subaru-Teleskop auf Hawaii bestätigten schließlich den Verdacht: Die Atmosphäre des Sterns mit der Katalognummer J1010+2358 zeigt deutliche Unterschiede in der Häufigkeit benachbarter Elemente im Periodensystem. Elemente mit ungerader Ordnungszahl wie Natrium und Kobalt kommen deutlich seltener vor als Elemente mit geraden Ordnungszahlen wie Magnesium und Nickel. Dies seien Belege dafür, so Xing, dass er aus den Überresten eines extrem massereichen Sterns der ersten Generation entstanden ist.

Damit sei man erstmals auf einen direkten Beweis gestoßen, wie die ersten Sterne im frühen Kosmos explodiert sind. Die Forschenden hoffen nun, weitere alte Sterne mit ähnlich seltsamer Zusammensetzung aufzuspüren – und so einen Einblick zu erhalten, wie viele Sterne es mit welchen Massen unter den ersten Sternen gegeben hat.