Sie waren riesig und kurzlebig. Und sie endeten in den energiereichsten Explosionen überhaupt.
„Sterne sind die goldenen Früchte eines unerreichbaren Baumes” , heißt es in einem Gedicht von George Eliot. Unerreichbar sind sie in den größten Entfernungen – zumindest für die Astronomen, zu deren Hauptzielen es gehört, das Licht der ersten Sterngeneration zu finden.
„Wir wissen, dass es sie gab”, sagt Alexander Heger von der University of California in Santa Cruz. „Aber welche Massen sie hatten, ist eine heiß diskutierte Frage. Und wie haben sich die Massen im Lauf der Zeit verändert? Wie viele Sterne bildeten sich unabhängig von anderen? Wann beeinflussten die ersten von ihnen die spätere Sternentstehung – und wie?”, fasst er die Grundfragen zusammen. Und weiter: „Welche Rolle spielte dabei die ionisierende Strahlung, die kinetische Rückkopplung und die Freisetzung schwerer Elemente? Welchen Beitrag lieferten die ersten Sterne zur Reionisierung des Urgases? Woraus bestand ihre Asche, und können wir sie heute noch irgendwo finden?”
Das sind viele Fragen auf einmal, die zeigen, welch große Wissenslücken noch klaffen. Hauptgrund ist die weite Entfernung dieser Sterne, die selbst mit den empfindlichsten Teleskopen bislang nicht erblickt werden konnten. In der Nähe der Milchstraße gibt es keine von ihnen mehr, da sie zu kurzlebig sind.
Alle Sterne, die wir kennen, gehören also mindestens zur zweiten Generation. Und sie unterscheiden sich beträchtlich von den Pionieren des Lichts, weil sie sich im kosmischen Materiekreislauf deren Trümmer einverleibt haben. Mit dem Urknall entstanden nur die leichtesten Elemente: Wasserstoff, Helium und Spuren von Lithium. Alle schwereren wurden erst im Inneren der Sterne erbrütet, bei Kernfusionsprozessen: Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff und all die anderen, aus denen auch wir – als „lebender Sternenstaub” – bestehen. Es stimmt: „We are stardust, billion years of carbon”, wie Crosby, Stills, Nash & Young in Woodstock sangen. Die schwersten Elemente, jenseits von Eisen, sind sogar erst in den mächtigen Sternexplosionen – den Supernovae – entstanden, mit denen massereiche Sterne ihren furiosen Abtritt von der kosmischen Bühne ausleuchten. Durch sie, und durch die schon vorher mit Sternwinden und bei Pulsationen ins All geblasene Materie, wird der Weltraum mit schwereren Elementen angereichert – Rohstoff für neue Sterne.
Die Sterne der ersten Generation bestanden also nur aus Wasserstoff und Helium. Da ihnen Kohlenmonoxid fehlte, ein effektives „Kühlmittel”, waren sie im Durchschnitt wesentlich heißer und massereicher als spätere Sterngenerationen. Heger und andere Experten gehen von Ungetümen mit über 200 Sonnenmassen aus. Diese hatten eine Lebensdauer von nur 2,5 Millionen Jahren – Sterne mit 20 Sonnenmassen leuchteten auch nur etwa 10 Millionen Jahre. Zum Vergleich: Unsere Sonne scheint schon mehr als 4,5 Milliarden Jahre und wird dies wohl noch weitere 7 Milliarden Jahre tun.
Die Entwicklung der ersten Sterne verlief zum Teil anders als die von massereichen Sternen heute. Heger hat mit Stan Woosley von der University of California in Santa Cruz und weiteren Forschern die Entwicklungsszenarien erstmals genauer berechnet – zahlreiche Details sind aber trotzdem noch ungeklärt.
Fest steht, dass das Schicksal massereicher Einzelsterne hauptsächlich von der Masse ihrer zentralen Heliumkerne abhängt und davon, ob sie eine äußere Hülle aus Wasserstoff haben, denn die kann durch Sternwinde abgestoßen werden. Verantwortlich dafür sind hauptsächlich die schwereren Elemente. Sterne der ersten Generation haben einen geringen Masseverlust, ausgeprägte Wasserstoffhüllen und große Heliumkerne, wenn sie sterben. Sie blähen sich am Ende ihrer Entwicklung zu einem Roten Riesen auf und verenden entweder als Weißer Zwerg oder explodieren als Supernova – wie heute alle Sterne. Von der Supernova bleibt ein Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch übrig, das sich – wiederum abhängig von der Ausgangsmasse des Sterns und vom Anteil der schweren Elemente – durch einen direkten Kollaps bildet oder erst binnen eines Tages durch den Rücksturz von zunächst fortgesprengter Materie auf den Neutronenstern entsteht (siehe Grafik unten). Eine Besonderheit der ersten Sterne ist, dass sie bei Anfangsmassen von etwa 140 bis 260 Sonnenmassen vollständig zerrissen werden können, ohne dass ein Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch übrig bleibt. Dieses Schicksal hat vielleicht ein Prozent der ersten Sterne.
Ursachen sind die Brennprozesse im Sternkern, in dem Neon, Sauerstoff und Silizium gebildet werden, und der Umstand, dass die Massen- und Energiedichten im Gegensatz zu anderen Sternen so hoch werden können, dass sich Elektronen-Positronen-Paare bilden, die sich gegenseitig wieder vernichten.
Wann sich die ersten Sterne aus zufälligen Dichteschwankungen im einst fast gleichförmigen Urgas durch die Kraft der Gravitation – und vermutlich unterstützt von „ Kristallisationskeimen” aus Dunkler Materie – gebildet haben, wissen die Astronomen bislang nicht genau. Wahrscheinlich geschah das bereits 400 Millionen Jahre nach dem Urknall. 2003 hatte die Auswertung der Daten des NASA-Satellit WMAP sogar 200 Millionen Jahre als Untergrenze ergeben. Aber das passte schlecht zu anderen Messungen, etwa von Quasaren, und wurde durch zwei weitere Jahre WMAP-Messungen und genauere Analysen im März revidiert. „Die Daten des ersten WMAP-Jahres sorgten für einige Unruhe. Die neue Auswertung löst die Widersprüche”, sagt Brian O’S hea vom Los Alamos National Laboratory in Kalifornien, der an Modellrechnungen der frühen Sternbildung arbeitet. „Das erleichtert uns das Leben beträchtlich.”
Die Suche nach den ersten Himmelslichtern hat bereits begonnen. „Es ist wahrscheinlich, dass einige Sterne ohne schwere Elemente sich an den Grenzen der gegenwärtigen Himmelsdurchmusterungen befinden. Ziel ist es, ein Merkmal zu finden, das sie eindeutig identifiziert”, schreiben Woosley und Heger in einer neuen Veröffentlichung. Solche Identifikationsmerkmale wären zum Beispiel bestimmte Spektraleigenschaften, aber gemessen wurden diese bislang noch nicht.
Doch das ist wohl nur eine Frage der Zeit. Bereits die Weltraumteleskope der nächsten Generation dürften dazu in der Lage sein. Große Hoffnungen setzen die Forscher auf das James Webb Space Telescope mit seinem entfaltbaren 6,5-Meter-Hauptspiegel. Dieser Nachfolger des Hubble-Weltraumteleskops soll 2013 starten. Er ist speziell im nahen Infrarot empfindlich, in dem die ersten Sterne – bedingt durch die Rotverschiebung aufgrund der kosmischen Expansion des Weltraums – heute am besten zu beobachten sind. Aber auch SNAP (Supernova Acceleration Probe), ein Satellit zur Suche nach fernen Sternexplosionen, würde weiterhelfen. Er könnte schon 2009 starten und würde vermutlich einige Sternexplosionen erhaschen, die so weit entfernt sind, dass sie zur ersten Generation zählen müssen. Noch ist seine Finanzierung allerdings nicht gesichert. Doch die Astronomen hoffen darauf, bald sagen zu können, was Dante in seiner Göttlichen Komödie schrieb: „Dann traten wir hinaus und sahen die Sterne.” Rüdiger Vaas ■
