Entstehung der ersten Sterne

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Weekly Science Update – Übersetzt von Harald Horneff

Eine Simulation zur Entstehung der ersten Sterne. Ein neues Computerprogramm kann bis zu sehr kleine Skalen herab die Sternentstehung im frühen Universum verfolgen, als sich Sterne aus Wasserstoffgas bildeten. Das Bild zeigt die Verteilung der Gasdichte (rot bedeutet hohe Dichte) über ein Gebiet von nur 200 astronomischen Einheiten. (Buchstabe und Nummer beziehen sich auf die Simulationsnummer.) Greif et al. 2013

Die ersten Sterne im Universum haben sich vermutlich nur einige hundert Millionen Jahre nach dem Urknall, vor ungefähr 13.7 Milliarden Jahren, gebildet. Sie heizten und ionisierten das ursprüngliche intergalaktische Medium und ihre Supernova-Explosionen reicherten dieses Gas mit den ersten schweren Elementen an (das Universum entstand nur mit Wasserstoff und ein wenig Helium). Diese Sterne veränderten dadurch grundlegend den chemischen und den thermischen Zustand des Gases, aus denen sich dann die ersten Galaxien entwickelten, die wiederum den ersten sich selbsterhaltenden Kreislauf aus Sternentstehung, Rückkopplung und chemischer Anreicherung auslösten. Das Wissen um die Entstehung und die Eigenschaften der ersten Sterne ist somit ein wichtiger Schritt hin zu einem umfassenden Bild der Strukturbildung im frühen Weltall.

Die ersten Sterne müssen jedoch noch direkt beobachtet werden. Sie sind lichtschwach, obwohl zukünftige Weltraummissionen und riesige Teleskope sie hoffentlich entdecken. Derweil sind Theoretiker, die sich seit etlichen Jahrzehnten mit den ersten Sternen beschäftigen, auf grundlegende physikalische Vorstellungen und Computersimulationen angewiesen. Im gegenwärtigen Modell bilden Wasserstoff und Dunkle Materie, die durch die Gravitation aneinander gebunden sind, große Strukturen mit Zentren, um die herum sich Wasserstoffgas in Molekülform bildet. Molekularer Wasserstoff kann dann Energie abstrahlen und die Strukturen kühlen; dies erlaubt ihnen, sich weiter zusammenzuziehen und aufzuheizen, bis Sterne entstehen. Die letzten Stufen dieses Vorgangs verlaufen schnell und verglichen mit der Gesamtstruktur innerhalb winziger Volumina; beide Sachverhalte machen es für die Berechnungen sehr schwierig, die Abläufe zu rekonstruieren. Dementsprechend gibt es große Unsicherheiten, zum Beispiel: wie beeinflußt die Fragmentierung am Ende der Skala das Geburtsgewicht der entstandenen Sterne.

CfA-Astronom Thomas Greif hat mit zwei Kollegen (Volker Springel und Volker Bromm) einen neuen Computeralgorithmus entwickelt, der dem Sternentstehungsprozeß bis hinunter zu sehr kleinen Skalen folgen kann. Damit sind sie in der Lage, die Entwicklung von filamentartigen Unterstrukturen und sekundären Verdichtungen bis herunter auf nur einige zehn astronomische Einheiten zu verfolgen (eine astronomische Einheit ist die mittlere Entfernung der Erde von der Sonne) und zu untersuchen, ob die Klumpen ihre eigenen Sterne bilden oder rekombinieren; die Forscher können auch abschätzen, wann derartige Fragmentierung dazu neigt, einzutreten. Das neue Ergebnis legt den Schluß nahe, daß nicht alle Strukturen in die anfänglichen Stadien eines Kollapses zerbrechen. Sie können sich für eine Übergangszeit stabilisieren, aber dennoch später zusammenfallen; dies besagt, daß der bislang geschätzte Zeitraum zur Bildung so mancher der ersten Sterne länger sein könnte als zuvor erwartet.

Literatur:
“On the Operation of the Chemothermal Instability in Primordial Star-Forming Clouds”
Thomas H. Greif, Volker Springel, and Volker Bromm
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 434, 3408, 2013