Darstellung der uralten Gaswolke, die von einem fernen Quasar durchleuchtet wird.

Illustration: MPIA

Durch Zufall sind Astronomen auf eine Gaswolke gestoßen, die Informationen über die Frühphase der Galaxien- und Sternentstehung liefert: Das Objekt, das bei der Beobachtung eines fernen Quasars entdeckt wurde, ist 13 Milliarden Jahre alt und zeigt, dass sich die ersten Sterne schon sehr rasch nach dem Urknall gebildet haben müssen.

Der Fund gelang einem Team um Eduardo Bañados vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg bei der Untersuchung von P183+05. Dieser Quasar wies ein ungewöhnlich Spektrum auf. Nähere Analysen mit einem der Magellan-Teleskope am Las-Campanas-Observatorium in Chile enthüllten, was dafür verantwortlich war: eine Gaswolke, die sehr nahe bei dem Quasar liegt.

Bei Quasaren handelt es sich um die extrem hellen aktiven Kerne von Galaxien. Verantwortlich für ihre Leuchtkraft ist das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum einer Galaxie. Materie, die um dieses schwarze Loch kreist, erhitzt sich auf extrem hohe Temperaturen und sendet dabei enorme Mengen an Strahlung aus. Die große Helligkeit ermöglicht es, Quasare als Hintergrundbeleuchtung zu nutzen, um Wasserstoff und andere chemische Elemente zu beobachten. Befindet sich eine Gaswolke direkt zwischen dem Beobachter und einem entfernten Quasar, absorbiert sie einen Teil des Quasar-Lichts und lässt sich auf diese Weise analysieren.

Spuren chemischer Elemente

Die Stärke der Absorption bei unterschiedlichen Wellenlängen liefert Informationen über die chemische Zusammensetzung, Temperatur und Dichte der Gaswolke. Sogar Rückschlüsse auf die Entfernung der Wolke sind möglich. Aus dem Spektrum der neu entdeckten Gaswolke konnten die Forscher sofort ermitteln, dass es sich um eine der entferntesten je identifizierten Gaswolken handelt: Sie ist fast 13 Milliarden Lichtjahre weit weg und zeigt sich damit in einem Zustand, als das Universum gerade einmal 850 Millionen Jahre alt war.

Die Forscher fanden auch Spuren einiger chemischer Elemente wie Kohlenstoff, Sauerstoff, Eisen und Magnesium. Die Menge war jedoch winzig und entsprach nur rund einem Achthundertstel der Häufigkeit dieser Elemente in der Atmosphäre unserer Sonne. "Nachdem wir überzeugt waren, dass wir nur 850 Millionen Jahre nach dem Urknall auf urtümliches Gas gestoßen waren, haben wir uns gefragt, ob dieses System vielleicht sogar die chemischen Fingerabdrücke der allerersten Generation von Sternen enthält", sagte Michael Rauch von der Carnegie Institution of Science in Washington, D.C., Koautor der Studie.

Die Suche nach den ersten Sternen ist für Astronomen wichtig um herauszufinden, was genau im frühen Universum geschah. Später spielen chemische Elemente, die schwerer als Wasserstoff sind, eine wichtige Rolle, wenn es darum geht, Gaswolken zu Sternen kollabieren zu lassen. Aber diese chemischen Elemente, insbesondere Kohlenstoff, werden erst in Sternen produziert und in Supernova-Explosionen ins All geschleudert. Für die ersten Sterne stand also noch kein Kohlenstoff als Kollaps-Beschleuniger zur Verfügung, denn direkt nach der Urknallphase gab es nur Wasserstoff- und Heliumatome. Das macht die ersten Sterne grundlegend anders als alle später entstandenen.

Noch frühere Entstehung

Die Analyse des Gaswolkenspektrums deute darauf hin, dass deren chemische Zusammensetzung alles andere als urtümlich war, sondern erstaunlich genau den Häufigkeiten der Elemente entsprach, wie man sie in den heutigen intergalaktischen Gaswolken findet, schreiben die Forscher. Das stelle für die Modelle der Entstehung der ersten Sterne eine beachtliche Herausforderung dar: Insbesondere lasse das vermuten, dass die Entstehung der ersten Sterne schon deutlich früher begonnen haben muss als gedacht: Es müsste seit Beginn der ersten Sternentstehung genügend Zeit vergangen sein, dass sich das heutige Gleichgewicht in der Wolke einstellen konnte – und die Spuren der frühen Sternchemie von den nachfolgenden Sternexplosionen mindestens einer weiteren Generation von Sternen überlagert werden konnten.

"Es ist spannend, dass wir die Metallizität und die Elementhäufigkeiten so früh in der Geschichte des Universums messen können. Aber wenn wir die Spuren der allerersten Sterne identifizieren wollen, müssen wir noch weiter in die Vergangenheit vordringen", sagte Bañados. "Ich bin optimistisch, dass wir noch weiter entfernte Gaswolken finden werden, die uns helfen können zu verstehen, wie die ersten Sterne geboren wurden." (red, 2.11.2019)