Astronomen finden ferne Gaswolken mit Überresten der ersten Sterne

Mit dem Very Large Telescope (VLT) der ESO haben Forscher zum ersten Mal die Fingerabdrücke gefunden, die die Explosion der ersten Sterne im Universum hinterlassen hat. Sie entdeckten drei entfernte Gaswolken, deren chemische Zusammensetzung dem entspricht, was wir von den ersten Sternexplosionen erwarten. Diese Ergebnisse bringen uns dem Verständnis der Natur der ersten Sterne, die nach dem Urknall entstanden sind, einen Schritt näher.

„Zum ersten Mal überhaupt konnten wir die chemischen Spuren der Explosionen der ersten Sterne in sehr weit entfernten Gaswolken identifizieren“, sagt Andrea Saccardi, Ph.D. Student am Observatoire de Paris–PSL, der diese Studie während seiner Masterarbeit an der Universität Florenz leitete.

Forscher glauben, dass die ersten Sterne, die sich im Universum bildeten, sich sehr von denen unterschieden, die wir heute sehen. Als sie vor 13,5 Milliarden Jahren auftauchten, enthielten sie nur Wasserstoff und Helium, die einfachsten chemischen Elemente der Natur. Diese Sterne, von denen angenommen wird, dass sie zehn- oder hundertmal massereicher sind als unsere Sonne, starben schnell in mächtigen Explosionen, die als Supernovae bekannt sind, und reicherten das umgebende Gas zum ersten Mal mit schwereren Elementen an. Spätere Generationen von Sternen wurden aus diesem angereicherten Gas geboren und schleuderten wiederum schwerere Elemente aus, als auch sie starben.

Aber die allerersten Sterne sind längst verschwunden, wie können Forscher also mehr über sie erfahren? „Ursterne können indirekt untersucht werden, indem die chemischen Elemente nachgewiesen werden, die sie nach ihrem Tod in ihrer Umgebung verbreitet haben“, sagt Stefania Salvadori, außerordentliche Professorin an der Universität Florenz und Mitautorin der heute veröffentlichten Studie Das Astrophysikalische Journal.

Unter Verwendung von Daten, die mit dem VLT der ESO in Chile aufgenommen wurden, fand das Team drei sehr weit entfernte Gaswolken, die gesehen wurden, als das Universum nur 10 % bis 15 % seines heutigen Alters hatte, und deren chemischer Fingerabdruck dem entsprach, was wir von den Explosionen der ersten Sterne erwarten . Abhängig von der Masse dieser frühen Sterne und der Energie ihrer Explosionen setzten diese ersten Supernovae verschiedene chemische Elemente wie Kohlenstoff, Sauerstoff und Magnesium frei, die in den äußeren Schichten von Sternen vorhanden sind.

Einige dieser Explosionen waren jedoch nicht energisch genug, um schwerere Elemente wie Eisen auszustoßen, das nur in den Kernen von Sternen vorkommt. Um nach dem verräterischen Zeichen dieser allerersten Sterne zu suchen, die als energiearme Supernovae explodierten, suchte das Team daher nach entfernten Gaswolken, die arm an Eisen, aber reich an anderen Elementen sind. Und genau das fanden sie: drei weit entfernte Wolken im frühen Universum mit sehr wenig Eisen, aber reichlich Kohlenstoff und anderen Elementen – der Fingerabdruck der Explosionen der allerersten Sterne.

Diese eigentümliche chemische Zusammensetzung wurde auch bei vielen alten Sternen in unserer eigenen Galaxie beobachtet, die Forscher für Sterne der zweiten Generation halten, die direkt aus der „Asche“ der ersten entstanden sind. Diese neue Studie hat solche Asche im frühen Universum gefunden und damit ein fehlendes Teil zu diesem Puzzle hinzugefügt. „Unsere Entdeckung eröffnet neue Wege, um indirekt die Natur der ersten Sterne zu untersuchen, und ergänzt die Studien über Sterne in unserer Galaxie vollständig“, erklärt Salvadori.

Um diese fernen Gaswolken aufzuspüren und zu untersuchen, verwendete das Team als Quasare bekannte Leuchtfeuer – sehr helle Quellen, die von supermassereichen Schwarzen Löchern in den Zentren weit entfernter Galaxien angetrieben werden. Während das Licht eines Quasars durch das Universum wandert, passiert es Gaswolken, in denen verschiedene chemische Elemente das Licht prägen.

Um diese chemischen Abdrücke zu finden, analysierte das Team Daten mehrerer Quasare, die mit dem X-Shooter-Instrument am VLT der ESO beobachtet wurden. X-Shooter spaltet Licht in einen extrem breiten Bereich von Wellenlängen oder Farben auf, was es zu einem einzigartigen Instrument macht, mit dem viele verschiedene chemische Elemente in diesen fernen Wolken identifiziert werden können.

Diese Studie öffnet neue Fenster für Teleskope und Instrumente der nächsten Generation, wie das kommende Extremely Large Telescope (ELT) der ESO und ihr hochauflösender ArmazoNes High Dispersion Echelle Spectrograph (ANDES). „Mit ANDES am ELT werden wir in der Lage sein, viele dieser Edelgaswolken genauer zu untersuchen, und wir werden endlich die mysteriöse Natur der ersten Sterne aufdecken können“, schließt Valentina D’Odorico, Forscherin am National Institut für Astrophysik in Italien und Co-Autor der Studie.