Sternenrelikt aus der Frühzeit des Universums

Spektakuläre Entdeckung eines neuen Sterns durch Wissenschaftlerteam der Hamburger Sternwarte / Fachjournal „Nature“ berichtet

Von der spektakulären Entdeckung eines Sterns mit dem bislang geringsten Anteil an schweren Elementen berichtet ein von Hamburger Astronomen geleitetes, internationales Forscherteam in der aktuellen Ausgabe des renommierten Fachjournals „Nature“. Der Stern besitzt 200.000 mal weniger schwere Elemente als unsere Sonne – dass ist nur ein Zwanzigstel des bisherigen Rekordhalters. Die Forscher sehen in dem Stern ein Relikt aus der Zeit unmittelbar nach dem Urknall, denn alle Elemente schwerer als Wasserstoff und Helium sind erst in Sternen entstanden. Je älter ein Stern ist, desto weniger an schweren Elementen sollte er also enthalten. Die Entdeckung des Sterns wirft aber auch neue Fragen auf – so widerspricht seine Existenz eigentlich theoretischen Modellen zur Entstehung von „metallarmen“ Sternen.

Seit 30 Jahren bemühen sich die Astronomen, Sterne aufzuspüren, die Spuren der Entstehungsgeschichte der Milchstraße in sich tragen. Unsere Galaxis ist kurz nach dem Urknall aus einer gigantischen Ansammlung von Gas entstanden. Dieses Gas, dass sich ursprünglich nur aus Wasserstoff und Helium zusammensetzte, wurde im Verlauf der Geschichte der Milchstraße durch explodierende Sterne immer weiter mit schwereren Elementen angereichert. Deshalb sollten die ältesten Sterne nur sehr wenig dieser schweren Elemente enthalten.

Ein Team von Astronomen aus Deutschland, Schweden, Australien und den USA ist nun auf einen Riesenstern gestoßen, dessen Anteil an schweren Elementen lediglich 1/200.000 des entsprechenden Anteils bei unserer Sonne beträgt. Das ist ein Zwanzigstel des Anteils an schweren Elementen, die bei dem bisherigen Rekordhalter dieser Art von „metallarmen“ Sternen gemessen worden ist. Der Stern bietet den Astronomen damit die einzigartige Möglichkeit, stellares Gas mit einer Zusammensetzung zu untersuchen, die nahezu jener unmittelbar nach dem Urknall entspricht. Zugleich wirft diese Entdeckung aber auch neue Fragen auf.

Die meisten Sterne bewegen sich innerhalb der Scheibe unserer Galaxis. Ein bis zwei Prozent ihrer Masse bestehen aus Elementen schwerer als Wasserstoff und Helium. So ist es auch bei der Sonne, die etwa halb so alt ist wie die Galaxis. Es gibt allerdings eine Population von Sternen, bei denen der Anteil an schweren Elementen lediglich 1/10 bis 1/100 dieses „solaren“ Wertes beträgt. Diese Sterne bewegen sich in einem großen Schwarm um die Milchstraße, dem so genannten Halo. Sie wurden geboren, als die Galaxis noch jung war und ihre Bewegung enthält noch Informationen über die Entstehungsprozesse der Milchstraße, aus der Zeit der ersten Sternentstehung. Die Astronomen bezeichnen die Halo-Sterne als Population II, im Gegensatz zu den jüngeren Sternen der Scheibe, die Population I genannt wird.

Woher stammt nun der – wenngleich geringe – Anteil an schweren Elementen in den Sternen der Population II? Es muss bereits Supernovae oder andere explodierende Sterne in der sehr jungen Galaxis – oder gar der Proto-Galaxis – gegeben haben, aus deren Überresten sich die Sterne der Population II gebildet haben. Diese bislang hypothetische Sternengeneration wird als Population III bezeichnet. Die Astronomen haben mit verschiedenen Methoden versucht, Sterne der Population III zu finden, die noch keine schweren Elemente enthalten sollten – bislang ohne Erfolg.

Die Hamburger Sternwarte führt gegenwärtig eine systematische Suche nach den „metallärmsten“ Sternen durch. Mit Hilfe eines Weitwinkel-Teleskops der Europäischen Südsternwarte in Chile wurde dazu eine große Sammlung von Bildern des südlichen Sternenhimmels gewonnen. Vor dem Objektiv des Teleskops war dabei ein Prisma angebracht, so dass auf den Bildern von jedem Stern nicht ein Punkt, sondern ein kleines Spektrum erscheint. Das Hauptziel dieses „Hamburg/ESO-Surveys“ (Projektleiter: Prof. Dieter Reimers, Projektwissenschaftler: Dr. Lutz Wisotzki, jetzt am Astrophysikalischen Institut Potsdam) war zunächst die Suche nach Quasaren. Schon bald jedoch zeigte sich, dass die Aufnahmen den Forschern auch eine reichhaltige Ernte an metallarmen Sternen lieferte. Dieser Teil des Projekts wird von Dr. Norbert Christlieb, Hochschulassistent an der Hamburger Sternwarte, einem Institut der Universität Hamburg, geleitet. Christlieb ist gegenwärtig an der Australian National University in Canberra, Australien tätig.

Mittels einer Computeranalyse der Bilder, die Millionen von Sternen erfasst hat, konnten 8000 Sterne aufgespürt werden, die sehr wenig schwere Elemente enthalten. Diese Sterne werden derzeit weltweit mit vielen Teleskopen mittlerer Größe einer genaueren Untersuchung unterzogen. Kandidaten, bei denen sich die ersten Vermutungen bestätigen, können dann mit den größten Teleskopen der Welt beobachtet werden – um hochaufgelöste Spektren zu erhalten, die eine genaue Bestimmung der chemischen Zusammensetzung der Sterne ermöglichen.

Einer dieser Sterne ist HE 0107-5240. „HE“ steht dabei für „Hamburg/ESO-Survey“, die Zahl gibt grob die Position des Objekts am Himmel an. Der Stern ist viele tausend Mal leuchtschwächer als der schwächste Stern, der noch mit dem bloßen Auge zu erkennen ist. Er befindet sich 36.000 Lichtjahre von uns entfernt im Sternbild Phoenix. Im Dezember 2001 wurde HE 0107-5240 mit dem UVES-Spektrographen des Very Large Telescopes der ESO beobachtet. Aus dem damals gewonnen Spektrum konnte Christlieb, gemeinsam mit Kollegen von der Sternwarte Uppsala in Schweden und der Universitätssternwarte München jetzt die chemische Zusammensetzung des Sterns bestimmen. Es zeigte sich, dass es sich um den Stern mit dem bislang geringsten Anteil an schweren Elementen handelt,

„Niemals zuvor sind wir mit der Untersuchung von Sternen so dicht an die Zustände unmittelbar nach dem Urknall herangekommen“, erläutern Christlieb und Prof. Bengt Gustafsson, der die chemische Analyse in dem Team leitet. „Aber offensichtlich ist schon eine Menge passiert zwischen dem Urknall und der Entstehung dieses Sterns. Obwohl er arm an schweren Elementen ist, enthält er eben doch schon einige davon. Diese wurden wahrscheinlich in noch massereicheren Sternen gebildet, die als Supernovae explodiert sind. Außerdem enthält der Stern ungewöhnlich viel Kohlenstoff und Stickstoff. Diese Elemente sind wahrscheinlich durch Kernfusion im Inneren des Sterns entstanden und durch Vermischung an die Sternoberfläche geraten. Es ist auch möglich, dass ein benachbarter Stern am Ende seines Lebens Masse auf unseren Stern übertragen und ihn so verschmutzt hat. Wir haben aber keine Beweise dafür, dass so etwas passiert ist.“

Theoretische Berechnungen hatten bislang vermuten lassen, dass sich Sterne mit geringerer Masse als unsere Sonne nur schlecht aus Gaswolken ohne schwere Elemente bilden können. Denn die schweren Elemente sind für eine effektive Kühlung der Wolke während der Kontraktion nötig, damit Sterne entstehen können. Die Existenz von HE 0107-5240, der lediglich die 0,8-fache Masse der Sonne besitzt, zeigt nun, dass die Natur doch einen Weg für eine effektive Kühlung der kontrahierenden Gaswolke gefunden haben muss. Die Theoretiker müssen also offenbar ihre Modelle noch verbessern.

Wenn ein Stern mit der 0,8-fachen Masse der Sonne und dem 200.000stel des solaren Anteils an schweren Elementen im frühen Universum entstehen konnte, dann sollten auch Sterne der Population III mit geringen Massen entstehen können. Und wenn dem so ist, dann sollten diese Sterne bis heute überlebt haben – und mit großen, systematischen Suchaktionen wie dem Hamburg/ESO-Survey aufzufinden sein. Da von den 8000 Kandidaten des Surveys erst ein Viertel genauer unter die Lupe genommen worden sind, ist es gut möglich, dass in dieser Sammlung schon bald ein solcher Stern entdeckt wird.

Die Arbeiten der Hamburger Forschungsgruppe haben bereits in der Vergangenheit weltweit Anerkennung gefunden. So wurde Dr. Norbert Christlieb kürzlich mit dem „Chretien Award“, einem mit 10.000 US $ dotierten Forschungspreis der American Astronomical Society ausgezeichnet.

Für Rückfragen:

Prof. Dr. Dieter Reimers , Universität Hamburg (Hamburger Sternwarte), Tel. 040/42891-4137