Kann Webb die ersten Sterne im Universum finden?

Die allerersten Sterne des Universums hatten eine wichtige Aufgabe. Sie entstanden aus den durch den Urknall entstandenen Urelementen, enthielten also keine Metalle. Es lag an ihnen, die ersten Metalle zu synthetisieren und sie im nahegelegenen Universum zu verbreiten.

Das JWST hat einige Fortschritte bei der Suche nach den frühesten Galaxien des Universums gemacht. Kann es bei der Suche nach den ersten Sternen den gleichen Erfolg haben?

Die Suche nach den ersten Galaxien des Universums ist eine äußerst schwierige Aufgabe und eine der Hauptmotivationen für den Aufbau des JWST. Das Licht dieser antiken Objekte wird ins Infrarote rotverschoben, was das JWST hervorragend erfassen kann. Durch Tieffeldbeobachtungen im Infrarotbereich hat das Weltraumteleskop einige der frühesten Galaxien lokalisiert.

Aber die ersten Sterne sind älter als die ersten Galaxien. Die ersten Sterne entstanden etwa 50 bis 100 Millionen Jahre nach dem Urknall, und ihr Licht beendete schließlich das dunkle Zeitalter des Universums. Astrophysiker gehen davon aus, dass diese Sterne mit bis zu 1.000 Sonnenmassen extrem groß waren.

Die neue Studie trägt den Titel „Die Erkennung und Charakterisierung stark vergrößerter Sterne mit JWST: Aussichten für die Entdeckung von Population III.“ Es wird im veröffentlicht Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society und ist derzeit verfügbar auf der arXiv Preprint-Server. Der Hauptautor ist Erik Zackrisson vom Institut für Physik und Astronomie der Universität Uppsala, Schweden.

„Aufgrund des Mangels an effizienten Kühlmitteln und der Fragmentierung des chemisch nicht angereicherten Gases in diesen frühen Epochen wird angenommen, dass die resultierenden metallfreien Sterne (auch bekannt als Population III) durch extrem hohe Massen gekennzeichnet sind (charakteristische Massen ~ 10–1000 Sonnenmassen). „, schreiben die Autoren.

Um diese frühen, massereichen Sterne zu sehen, benötigt das JWST etwas Hilfe durch den Gravitationslinseneffekt. „Durch den Gravitationslinseneffekt können einzelne massereiche Sterne bis in kosmologische Entfernungen erkennbar sein, und in den letzten Jahren wurden mehrere extrem vergrößerte Sterne bis zu einer Rotverschiebung von z ~ 6 entdeckt“, erklären die Autoren. Bei z ~ 6 hat das Licht über 12,7 Milliarden Lichtjahre gebraucht, um uns zu erreichen.

Der Gravitationslinseneffekt nutzt Situationen aus, in denen sich ein massives Objekt im Vordergrund, etwa ein Galaxienhaufen, zwischen uns und einem Objekt befindet, das wir beobachten möchten. Wenn das Licht des Ziels am Vordergrundobjekt – einer sogenannten Gravitationslinse – vorbeigeht, wird das Licht vergrößert. Dadurch wird das sonst unsichtbare Objekt sichtbar.

Die ersten Sterne haben eine Rotverschiebung von etwa z=20, und das JWST sollte in der Lage sein, dieses Licht zu sehen, wenn es die Gravitationslinse nutzen kann. Wenn dies möglich ist, wird das leistungsstarke Teleskop beginnen, uns Beobachtungsbeweise für einen Zeitraum im frühen Universum zu liefern, den wir bisher hauptsächlich durch Theorie verstehen: die Epoche der Reionisierung (EoR).

Während der EoR wurde das Universum von einem dichten, undurchsichtigen Nebel aus Wasserstoffgas dominiert. Als sich die ersten Sterne bildeten, reionisierte ihr ultraviolettes Licht das Gas und ermöglichte so die Ausbreitung des Lichts. Dies ist ein entscheidender Schritt im Leben des Universums, daher ist es ein wichtiges Ziel, einige der alten Pop-III-Stars zu finden, die dafür verantwortlich waren.

Diese ersten Sterne sind auch in anderer Hinsicht faszinierend und haben unser Universum geprägt. Sie waren massiv, millionenfach heller als die Sonne und lebten im Vergleich zu einem Stern wie unserer Sonne nur kurze Zeit. Sie explodierten entweder als Supernovae oder kollabierten zu Schwarzen Löchern. Diejenigen, die zu Schwarzen Löchern wurden, verschluckten Gas und andere Sterne und wurden zu den ersten Quasaren des Universums. Astrophysiker glauben, dass diese Quasare durch Akkretion und Verschmelzung zu supermassiven Schwarzen Löchern heranwuchsen, die die Zentren von Galaxien wie unserer Milchstraße verankern.

Eine wichtige Rolle spielten auch diejenigen, die als Supernovae explodierten. Sie schmiedeten die Elemente, die schwerer als Wasserstoff und Helium waren, und verteilten diese Metalle dann bei ihrer Explosion wieder in den Weltraum. Die später entstandenen Sterne enthielten einige dieser Metalle, und die Metalle bildeten auch Gesteinskörper. Vor den Supernovae der Population III gab es keine Gesteinsplaneten und schon gar keine Möglichkeit für Leben. Diese massereichen, uralten Sterne, ob sie nun als Supernovae oder Schwarze Löcher endeten, trugen dazu bei, die Voraussetzungen für das Universum zu schaffen, das wir heute um uns herum sehen.

Wenn das JWST erfolgreich ist, wird es keine schönen Bilder dieser herausragenden Vorfahren geben. Stattdessen wird es Daten geben. Diese Daten zu entwirren und festzustellen, ob darin Pop-III-Stars enthalten sind, ist eine komplexe Aufgabe. Dieser Aufwand bringt das Weltraumteleskop und die damit arbeitenden Wissenschaftler an ihre Grenzen.

Zum einen ist es schwierig, metallangereicherte Sterne spektroskopisch von metallarmen Pop-III-Sternen zu unterscheiden. Ein Grund dafür ist, dass die meisten dieser massereichen Sterne wahrscheinlich in Doppelsternpaaren vorliegen, was das Lichtsignal erschwert. Ein weiterer Grund ist, dass die Sterne, wenn sie noch relativ jung sind, von nebulösem Wasserstoff umgeben sein können, was die Interpretation der Lichtsignale ebenfalls erschwert.

Wenn das JWST einige dieser Sterne finden kann, dann ist das bahnbrechende Teleskop – das bereits ein erstaunlicher Erfolg ist – noch erfolgreicher. Sie und die Menschen, die sie betreiben, kreuzen systematisch die Kästchen auf ihrer Liste wissenschaftlicher Ziele an.