Ein Stern, der nicht sein dürfte

Bild: ESO/Y. Beletsky

Rätselraten über den wohl ältesten und zugleich metallärmsten Stern aller (bisherigen) kosmischen Zeiten, den ESO-Astronomen kürzlich entdeckten

In dem heute erschienenen Wissenschaftsmagazin "Nature" berichtet ein Astronomenteam der Europäischen Südsternwarte (ESO) in Chile von der Entdeckung eines stellaren, extrem langlebigen Eigenbrötlers, der entgegen aller Theorie im Innern kaum Metalle hat und größtenteils aus Wasserstoff und Helium besteht. Laut Modell hätte der Stern auch eine Mindestkonzentration an Lithium haben müssen - hat er aber nicht. Derweil sieht es danach aus, als müssten Astronomen einige ihrer Modelle über die Sternentstehung überarbeiten. Weitere Observationen sollen klären, wie viele bizarre stellare Vagabunden dieser chemischen Machart im Universum heimisch sind.

Rund hundert Millionen Jahre nach dem Urknall, noch inmitten der Phase der Galaxienentstehung, beleuchteten die ersten Sterne das junge Universum. Hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium bestehend, waren diese astralen gigantischen Unikate im Vergleich zu unserem Muttergestirn weitaus schwerer und größer, weshalb in ihrem Innern die Kernverschmelzungsprozesse immer schneller abliefen.

Der Druck, den das eigene Gewicht auf die innersten Bereiche des Sterns ausübte, presste die Atomkerne des Wasserstoffs so dicht zusammen, dass ihre Fusion zu Helium innerhalb weniger Millionen Jahre vollendet war. Und das Tempo setzte sich fort: Die für kurze Zeit versiegende Energiequelle im Inneren ließ der Schwerkraft des Sterns ebenfalls nur für kurze Zeit freie Hand. Der Stern schrumpfte, die Materie wurde wieder verstärkt zusammengepresst und dadurch noch heißer.

Aufnahme einer Supernova aus dem Jahr 1977. Bild: ESO

In dieser Glut verschmolzen die Heliumkerne miteinander und bildeten Elemente wie Kohlenstoff, Sauerstoff und Neon. Später entstanden verschiedene Elemente in verschiedenen Schichten, aber erst als sich im Innern der Sterne Eisen angereichert hatte, kam dieser Prozess zum Erliegen. Während ihrer allerletzten Lebensphasen produzierten die archaischen Riesensterne alle stabilen schweren Elemente, ganz zuletzt Gold und Uran.

Kein Wunder demnach, dass dieser Sterntyp nach wie vor zu den kurzlebigen stellaren Objekten im All zählt, löscht er doch sein stellares Feuer in der Regel bereits nach mehreren Millionen Jahre wieder.

Dass auch in der Urzeit des Universums zumindest ein chemisch höchst einfach aufgebauter stellarer Dauerbrenner gezündet hat, der seither das Universum mit Licht durchflutet, hat unlängst ein 15-köpfiges europäisches Astronomenteam mit dem auf dem Cerro Paranal installierten Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte (ESO) in Chile herausgefunden.

Digitalisierte, aus mehreren Bildern bestehende Aufnahme von dem zirka 600 Lichtjahren entfernten Stern Betelgeuze (bzw. Beteigeuze), der den 662-fachen Durchmesser der Sonne und eine mindestens zehntausendmal so große Leuchtkraft im sichtbaren Bereich hat. Sterne lassen sich mit dem besten Teleskop nicht näher auflösen - unsere Sonne bildet die Ausnahme.Bild: ESO/Digitized Sky Survey 2. Acknowledgment: Davide De Martin.

Mit dem 8,2-Meter-Spiegel Kueyen lokalisierten sie im Sternbild Löwe einen schwach leuchtenden Stern, der Charakteristika hat, die viele Forscher bislang für unmöglich gehalten haben.

Bei der von der Erde aus gesehen 4000 Lichtjahre entfernten Sonne mit der unschönen Katalognummer SDSS J102915+172927 handelt es sich um stellares Mitglied der Milchstraße, das fast ausschließlich aus Wasserstoff (fast 75 Prozent) und Helium (fast 25 Prozent) besteht und nur wenige andere chemische Elemente in auffallend geringer Menge besitzt, deren Wert nur 0,0007 Prozent beträgt.

Von allen bislang bekannten Sternen weist dieser Himmelskörper, dessen Masse etwas geringer ist als die unserer Sonne (zirka 0,8 Sonnenmassen), den geringsten Anteil an Elementen auf, die schwerer als Helium sind. Alles, was schwerer als Helium ist, bezeichnen Astronomen gemeinhin als Metalle.

Für die Observation war der X-shooter-Spektrograf von entscheidender Bedeutung. Bild: ESO

"Eine allgemein akzeptierte Theorie sagt voraus, dass ein Stern, der eine geringe Masse und eine sehr geringe Konzentration an Metall hat, nicht existieren kann, weil die Staubwolken, aus denen er sich geformt hat, sich niemals verdichtet hätten", sagt Elisabetta Caffau vom Zentrum für Astronomie der Universität Heidelberg (ZAH, die Hauptautorin des heute erschienenen Nature-Beitrages "An extremely primitive halo star".

Es war überraschend, einen Stern erstmals in dieser ‚verbotenen Zone‘ zu finden. Es bedeutet, dass wir einige Modelle über die Sternbildung überdenken müssen.

Das Team untersuchte die Bestandteile des Sterns mit dem X-shooter und dem UVES-Spektrografen des VLT, mit denen sie die Häufigkeit der verschiedenen chemischen Elemente in dem Stern messen konnten. Sie fanden heraus, dass der Metallanteil in SDSS J102915+172927 sage und schreibe 20.000 Mal geringer ist als bei unserer Sonne.

Ohne den Pfeil als Markierungspunkt würde der neu entdeckte Stern SDSS J102915+172927 kaum auffallen. Mit dem Amateurfernrohr und selbst mit bestimmten professionellen Teleskopen wäre er nicht zu lokalisieren. Bild: ESO/Digitized Sky Survey

Um die geringen Unterschiede hinsichtlich der Verteilung der Metalle im Stern präzise zu bestimmen, waren gleichwohl mehrere Observationen erforderlich, wie der Projektleiter der Observation, Piercarlo Bonifacio vom Observatoire de Paris, bestätigt:

Der Stern ist leuchtschwach und derart metallarm, dass wir dort bei unseren ersten Observationen nur die Signatur eines einzigen Elements entdeckten, das schwerer als Helium ist: Kalzium. Um das Sternenlicht detaillierter mit einer längeren Belichtungszeit zu beobachten und andere Metalle zu finden, mussten wir beim Generaldirektor der ESO zusätzliche Teleskopzeit beantragen.

Wider alle Theorie ist auch das Alter des Sterns, das sich zur Überraschung der Astronomen um Caffau vermutlich auf mehr als 13 Milliarden Jahre beläuft. Das astrale Fossil stammt aus der Urzeit des Universums, in der seinerzeit die leichtesten Elemente das materielle Sagen hatten. Er bildete sich in einem interstellaren Milieu heran, in dem die Materie des blutjungen Kosmos zu 75 Prozent aus Wasserstoff und zu 25 Prozent aus Helium bestand und noch einige Spuren Lithium aufwies.

Bild: ESO

Alle anderen uns heute bekannten schweren Elemente wurden (mit Ausnahme einiger künstlich hergestellter Elemente) Jahrmillionen später allesamt in Sternen gebildet. Und infolge von Supernovae-Explosionen verflüchtigte sich dann das Sternenmaterial in den interstellaren Raum, wo sich das Metall anreicherte und wo sich immerfort neue Sterne formierten. So stieg mit jeder Bildung eines neuen Sterns der Metallgehalt, aus dem Astronomen heute wiederum das Alter eines Sterns bestimmen können.

Eine weitere Attraktion im Sternbild Löwe, wo der neu entdeckte metallarme stellare Dino sich eingenistet hat: die Spiralgalaxie NGC 3521. Bild: ESO

Die Formel hierfür ist einfach wie effektiv: Je höher die in einem Stern enthaltende Metallkonzentration, desto geringer sein "persönliches" Alter. Doch bei SDSS J102915+172927 wäre die Bestimmung des Alters allein aufgrund dieser Basis wenig ergiebig, wie Lorenzo Monaco vom Observationsteam der ESO bestätigt.

Der Stern, den wir studiert haben, ist extrem metallarm und sehr primitiv strukturiert. Er könnte einer der ältesten Sterne sein, die wir jemals gefunden haben.

Nicht minder überrascht waren die Forscher auch über den gemessenen extrem geringen Anteil an Lithium in SDSS J102915+172927. Laut Modell hätte ein solch alter Stern jene chemische Zusammensetzung haben müssen, die kurz nach dem Urknall die Chemie des Universums geprägt hat. Doch tatsächlich fiel die Lithium-Konzentration fünfzigmal geringer aus als erwartet. "Für uns ist es ein Geheimnis, wie dieser Stern das unmittelbar nach dem Urknall gebildete Lithium vernichtet hat", betont Piercarlo Bonifacio.

VLT der ESO auf dem Cerro Paranal. Bild: ESO

Da ESO-Wissenschaftler bereits 2005 mit dem VLT einen sehr metallarmen Stern namens HE 1327-2326 aufspürten, der die bis dahin geringste Konzentration an Eisen hatte, dafür aber sehr reich an Kohlenstoff war, und 2007 sogar einen 13,2 Milliarden Jahre alten Stern entdeckten, will Bonifacios Team nach weiteren Brüdern und Schwestern von SDSS J102915+172927 Ausschau halten.

Schließlich muss der neu entdeckte Stern Caffaus Ansicht nach keineswegs ein kosmischer Einzelgänger sein. Vieles spricht dafür, dass er nicht alleine im All ist.

Wir haben mehrere andere Kandidaten identifiziert, die ähnlich viel oder sogar weniger Metall haben könnten wie SDSS J102915+172927. Wir beabsichtigen nunmehr, diese mit dem VLT zu beobachten, um zu sehen, ob dies auch wirklich der Fall ist.

Animationsvideo mit Musik betr. SDSS J102915+172927
Näheres zur Studie siehe Fachaufsatz "An extremely primitive halo star"

(Harald Zaun)

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