Einzigartige Explosionen: Das Ende der ersten Sterne | Harald Lesch (1)
Jetzt ist es raus: Wie die allerersten Sterne im Universum explodierten.
Hätten Sie das ein bisschen anders getan wäre keiner von uns hier.
[Intro]
Ja man kann sich natürlich mal fragen, woher kommen die chemischen Elemente, aus denen wir so bestehen?
Da gibt es ja den schönen Satz, wir bestünden aus Sternenstaub. Wie kommt man denn da drauf?
Die leichten Elemente, also Wasserstoff und Helium, die entstanden ja in der frühen Phase des Universums.
Vor 13,82 Mrd. Jahren in den ersten 3 Minuten waren die Dichten und Temperaturen des
gesamten Kosmos' noch so hoch, dass tatsächlich kernphysikalische Prozesse abliefen.
D.h., es entstand Wasserstoff mit 1 Proton und aus der Verschmelzung von Wasserstoff entstand Helium
Also 2 Protonen, 2 Neutronen. Aber dann war Schluss.
Bei der Expansion des Universums wurde es immer kälter und es konnten keine weiteren Elemente mehr
in der frühen Phase des Universums erzeugt werden. D.h., es gab noch ein bisschen Lithium,
ein bisschen Beryllium und ein bisschen Bor, aber eigentlich nicht der Rede wert.
Und alle schweren Elemente, namentlich Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenstoff, aber auch Eisen -
die entstanden ganz anders. Und natürlich wisst ihr alle, wie sie entstanden sind,
nämlich durch die Verschmelzung von Atomkernen in Sternen. Die Sterne, die sind der Grund dafür,
dass es uns gibt, dass es Planeten gibt, weil in ihnen wird das gesamte Periodensystem
der Elemente erbrütet. Ja, ist doch klar.
Also, wir sind wirklich zu 92 % Sternenstaub. Das einzige, was an uns nicht aus den Sternen stammt,
oder von den Sternen stammt, ist der Wasserstoff. Der Rest stammt alles aus Sternen.
Und man kann sich natürlich die Frage stellen: Die allerersten Sterne,
also damals, vor langer Zeit, als es eigentlich noch gar keine Zeit gab,
Auf jeden Fall keine Zeit, wie wir sie heute kennen. Wir messen ja heute unsere Zeit nach Tagen.
durch die Rotation der Erde, oder nach Jahren - die Umkreisung der Erde um die Sonne
Also, wir reden jetzt mal nicht von dieser Zeit, sondern von der kosmischen Zeit. Es gab noch keine Erde,
es gab noch keine Sonne, um die man sich hätte herumbewegen können. Damals, vor 13,82 Mrd. Jahren,
ist das Universum immer kälter geworden, aber irgend- wann muss es dann ja zur Entstehung der allerersten
Sterne gekommen sein. Was waren denn das für Sterne, wenn die praktisch nur aus Wasserstoff und Helium bestanden?
Was sind das für Brocken? Waren die so wie heute?
Solche Sterne, wie wir sie heute kennen, so wie die Sonne z.B., ein G-Stern?
Aber unsere Sonne hat ja jede Menge schwere Elemente, die Astronomen sprechen von Metallen.
Ja, es tut mir leid, alle Elemente schwerer als Helium sind in der Astronomie Metalle.
Ja, und die Sonne hat ja jede Menge schwere Elemente.
Aber es muss doch dann Sterne gegeben haben, die praktisch überhaupt keine schweren Elemente besessen haben.
Also diese allerersten Sterne, das waren ja übrigens- Also, nachdem das Universum sich langsam
abgekühlt hatte, wurde es ja wirklich nicht nur immer kühler, es wurde auch immer dunkler,
weil es allmählich in die Bereiche der Temperatur kam, wo gar kein sichtbares Licht mehr entstand.
Man muss sich das mal überlegen: Das Universum beginnt - Achtung! - dunkel.
Ganz dunkel. Warum? Weil es so heiß ist, dass praktisch keine sichtbaren Photonen dabei sind.
Es beginnt unglaublich heiß und es ist total dunkel. Und dann irgendwann
geht es mal durch den Temperaturbereich durch, so ungefähr um 10.000 Grad herum,
und da erscheint einmal für eine gewisse Phase Licht, da ist es im Universum hell,
und dann wird es allmählich rot, infrarot, und es ist schon unsichtbar. Mikrowellen. Und dann, tja.
Und dann, in dieser Zeit, wo das Universum langsam abkühlt, gibt es den Tag,
wo das erste Mal ein Stern im Universum strahlt.
Der erste Stern. Wahnsinn. Und das ist in der Tat
eine unglaublich wichtige astronomische Frage: Wie sahen die allerersten Sterne aus?
Denn diese ersten Sterne müssen ja das Universum mit schweren Elementen angereichert haben. Diese ersten
Sterne müssen womöglich sogar dafür gesorgt haben, dass es überhaupt zur weiteren Sternentstehung kommt.
Denn wenn wir heute z. B. in unsere Milchstraße schauen, dann sehen wir, dass oft in der Nähe von Gaswolken
die gerade dabei sind, unter ihrer eigenen Schwerkraft- wirkung zusammenzubrechen, eine Supernova-Explosion
in der Nähe dazu führt, dass diese Wolke unter dem Druck dieser Explosionswolke
tatsächlich zusammenfällt. War das am Anfang genauso?
War der erste Stern vielleicht nur ein Zufall? Das Zucken des kosmischen Seins? Und dessen Explosion
hat in seiner Umgebung weitere Sternentstehungen angeregt? Das weiß man alles nicht.
Man hat bis heute noch keinen einzigen Population III Stern gesehen. Aber! Jetzt
hat man etwas gemessen, und zwar etwas Merkwürdiges. Man hat nämlich bei einem Stern in der Milchstraße
der sehr, sehr, sehr ... wenige Metalle hat
Also ein ganz alter Stern, der quasi aus der ersten Nachfolgergeneration der Sterne kommt,
die man noch gar nicht kennt. Also, der hat schon Metalle,
aber nur ganz, ganz wenig. Also, wahnsinnig wenig.
Der hat eine Eigenschaft, die darauf schließen lässt, wie die großen, die allerersten Sterne,
die Population III Sterne, explodiert sein müssen. Es geht um Folgendes:
Man hat noch keine Ahnung, was das eigentlich für Dinger sind, diese Population III Sterne,
Man ahnte aber schon: Das müssen große Sterne sein. Also, groß!
100 Sonnenmassen, 200 Sonnenmassen, vielleicht sogar 300 Sonnenmassen!
Aber dann wird es schon schwierig, denn es ist ja nun mal so, dass wenn ein Stern -
das ist ja eine Maschine, die besteht erstens aus ihrer eigenen Schwerkraftwirkung,
und die Schwerkraft zieht ja immer alles nach Innen. Dann entstehen aber im Innern
diese Kernfusionsprozesse, und dabei wird Energie freigesetzt, und die drängt nun wieder nach außen.
Jetzt kann man sich überlegen, dass natürlich die Lebensdauer einer solchen Gaskugel
enorm von ihrer Masse abhängig wird, weil nämlich, je schwerer dieser Stern ist,
umso schneller werden die Fusionsprozesse im Innern ablaufen, weil der Schwerkraftdruck einfach größer ist.
Und in der Tat: Die großen Sterne leben kürzer, das geht ganz schnell, und dann sind die schon wieder verschwunden,
die werden nämlich später explodieren. Aber was ganz wichtig ist:
Wenn ein solcher großer Stern tatsächlich anfängt, von Wasserstoff zu Helium,
von Helium zu Kohlenstoff, zu Stickstoff, usw. allmählich durchzubrennen,
dann fängt er auch an, zu oszillieren und er beginnt nicht nur die Prozesse anlaufen zu lassen,
bei denen Energie frei wird, das sind ja die normalen, sozusagen,
also alle natürlichen Prozesse, bei denen Energie frei wird, die laufen ganz automatisch ab.
Das geht aber im Periodensystem nur bis zum Eisen. Findet man allerdings ein Element, das schwerer ist
als Eisen - und Eisen ist das Element mit der Nr. 26, hat also 26 Protonen im Kern -
findet man ein Element, das schwerer ist, dann kann das nur entstanden sein durch Energiezufuhr.
Und darauf kommt es an. Die Menge der Metalle in einem Stern
sagt etwas darüber aus, wie alt er ist. Hat er ganz wenige Metalle, muss er uralt sein.
Denn ansonsten wäre er bereits in einer Wolke entstanden,
die bereits Metalle enthielt. D.h. also, je näher wir an unsere Gegenwart kommen,
umso mehr Metalle besitzen die Sterne. So z. B. unsere Sonne.
Auf der anderen Seite ist aber auch die Menge der Metalle eine Aussage darüber:
Was haben die vorherigen Sterne alles so erzeugen können? Und dieser eine Stern in unserer Milchstraße
Dieser eine Stern, mit dieser unglaublich geringen Menge an Metallen,
enthält in seinem Innern, und nicht nur dort, sondern auch in seinem Spektrum,
ein Element mit Namen Zink. Zink, ein Spurenelement, Kernladungszahl 30,
ist also entstanden in einem Vorläuferstern, dadurch, dass irgendwie Energie dazu gebracht worden ist,
Atomkerne so zu verschmelzen, dass auch schwerere Elemente als Eisen entstehen.
Zink ist schwerer als Eisen. Also, hier musste etwas passiert sein, im Stern,
was ihn richtig durchgeknetet hat. In der Tat sind solche Oszillationenbei großen Sternen
immer mal wieder der Fall, d.h. die fangen an und erzeugen in Ihrem Innern auch Zink. Jetzt fragt man
sich natürlich: Wie kommt das Zink in diesen Stern, der so alt ist und damals offenbar schon ganz früh dabei war,
wenn es um die allerersten Sterne im Universum geht, die wir, wie gesagt, bis heute noch nicht gesehen haben.
Diese Population III Sterne, das ist das zukünftige, das ist DAS Forschungsthema in der Astronomie jetzt,
das dunkle Zeitalter wird mit unseren neuen Teleskopen tatsächlich
endlich mal richtig durchschaut werden, und dabei werden auch die allerersten Sterne
spektroskopisch untersucht werden, aus was sie bestehen.
Und deswegen ist man immer auf der Suche nach Überresten von damals.
Also Sterne z. B., die durchaus 12 oder 13 Milliarden Jahre alt werden können.
Man hat aber keinen Zwerg gefunden, von den Population III Sternen. Deswegen war man
in der Tat der Meinung, dass die großen Sterne, als die Population III Sterne, so groß
sein müssen. Aber deren Masse ist auch eingeschränkt, denn dadurch, dass ein Stern sehr viel Fusion
in seinem Innern produziert, wird er natürlich heiß. Und "heiß" heißt, die Materie übt nicht nur
eine Schwerkraftwirkung auf sich aus, die nach innen zieht sondern auch
einen Strahlungsdruck, der nach außen zieht. Und so kann man eine Grenzmasse ausrechnen.
Also, diese Population III Sterne, wenn die tatsächlich so groß waren, dann waren die
gerade so an der Grenze, nicht komplett auseinander zureißen. Das war so die Vorstellung, bis eigentlich
in den letzten Tagen noch. Jetzt aber, wo wir diesen einen Stern gefunden haben,
wissen wir, dass diese Population III Sterne gewaltig, riesige Sterne gewesen sein müssen,
die sich wirklich komplett zusammengezogen haben, in Ihrem Innern.
Wahrscheinlich haben sie sich gedreht, so wie alle Sterne sich drehen, ein bisschen jedenfalls.
Aber dadurch, dass ein solcher Kern eines Sterns in sich zusammenfällt, wird er
sich natürlich schneller drehen, das ist der berühmte Drehimpulserhaltungssatz.
Und dann fängt das Ding an, sich zu drehen, und bei der Explosion ist es eben nicht wie eine Bombe,
dass alles nach allen Seiten gleichmäßig davonläuft. Solche Sterne, hat sich gezeigt, wären gar nicht
in der Lage gewesen - also Sterne, so wie sie heute explodieren, nämlich BUMM so, schön radial nach Außen -
Solche Sterne wären gar nicht in der Lage gewesen, den einen Stern bei uns in der Milchstraße
mit so viel Zink zu versorgen, wie man in ihm beobachtet hat. Denn bei
solchen Sternen, die sich radial nach Außen bewegen, da bleibt das Zink praktisch im Sternenrest drin.
Weil Zink so im Innern dieses Sterns erzeugt worden ist. Ganz anders,
wenn die Explosion eben nicht radial symmetrisch gewesen ist, sondern axialsymmetrisch.
Wenn sozusagen links und rechts von der Achse einfach nur das Material in zwei Jets nach
Außen getrieben worden ist, mit hoher Geschwindigkeit quasi in eine Gaswolke hinein injiziert worden ist,
wie eine Spritze, und dabei jede Menge Material aus dem Innersten des Sterns mit hoher Geschwindigkeit
in eine Gaswolke injiziert wurde und dann ist da ein Stern entstanden, mit einer Menge Zink.
Das war das Innerste des Sterns, was da rausgespritzt ist. Und das könnte bedeuten,
dass wenn alle Population III Sterne so explodiert sind, und nicht radial, wie wir das heute kennen,
dass sie damit natürlich in ihrer Umgebung auch Sternentstehung induziert haben.
also durch die Druckwellen dieser Strömungen, auch in anderen Galaxien womöglich, denn!
das habe ich ganz vergessen, zu sagen: Das ist in einer Zeit passiert, da war das Universum
vielleicht 5 oder 6 Hundert Millionen Jahre alt, da war ja alles noch viel enger beieinander.
Das habt ihr schon wieder vergessen, ne? Also, das Universum explodiert ja, und damals
war alles enger beieinander. Auch die Galaxien. Das können wir heute sogar direkt schon sehen. D.h.,
Population III Sterne sind nicht nur dafür verantwortlich, dass dieser eine Stern jetzt mehr Zink hat. Das wäre
ja nett, aber ist das wichtig? Nein! Population III Sterne haben wahrscheinlich durch ihre asymmetrischen Explosionen.
die Sternentstehung in ihrer Umgebung induziert. Sie sind dafür verantwortlich, dass der gewaltige
kosmische Materie-Kreislauf richtig losgegangen ist. Das geht ja so weit, dass man schwere Elemente
im Raum zwischen den Galaxien findet. Und jetzt muss man sich einfach nur überlegen: Bei der Galaxienentstehung
verschmelzen kleine Galaxien zu großen Galaxien. Das können wir beobachten, das sehen wir heute schon.
