Auch wenn die Vorstellung des Urknalls als gewaltige Explosion etwas anderes suggeriert: Während der ersten Jahrmillionen war der Kosmos ein finsterer Ort. Weder Sterne noch Galaxien erhellten den Raum, nur neutraler Wasserstoff, angereichert mit etwas Helium und Spuren von Deuterium, Lithium und Beryllium, füllte die Leere. Erst als die Schwerkraft begann, ihre Wirkung zu entfalten und sich dichtere Gasregionen weiter zusammenballten, um schließlich zu kollabieren, wurden die ersten Sterne des Universums geboren. Wann genau diese mittlerweile wieder ausgestorbene Sternengeneration erstrahlte, ist bis heute umstritten.
Reste der ersten Supernovae
Einige Studien deuteten darauf hin, dass die früheste große Sternentstehungswelle erst ab 550 Millionen Jahren nach dem Big Bang einsetzte, doch jüngere Untersuchungen kamen inzwischen auf einen deutlich früheren Zeitpunkt, vielleicht sogar schon 200 Millionen Jahre nach dem Urknall. Nun ist es einem Forschungsteam gelungen, jene Reste aufzuspüren, die die Supernova-Explosionen der ersten Sterne hinterlassen haben.
Auch wenn man nicht genau weiß, wann genau sie geboren wurden, so scheint zumindest klar, dass sich die ersten Sterne des Universums in wesentlichen Punkten von späteren Artgenossinnen unterschieden. In Ermangelung anderer, noch nicht existierender Elemente bestanden sie praktisch nur aus Wasserstoff und Helium. Wahrscheinlich waren sie auch bedeutend größer als der Durchschnittsstern von heute: Forschende gehen vom Zehn- bis Hundertfachen der Masse unserer Sonne aus, was auch dazu geführt hat, dass ihnen ein vergleichsweise kurzes Leben und ein sehr explosives Ende beschert war.
Chemischer Fingerabdruck
Erst bei diesen frühesten Supernovae wurden die umgebenden Gaswolken mit schwereren Elementen angereichert. Nachfolgende Sternengenerationen, die aus diesen Gaswolken hervorgingen, steuerten im Todeskampf gleichfalls schwerere Elemente bei – und doch lassen sich dort draußen immer noch Spuren der Ursterne entdecken. "Die ersten Sterne können indirekt untersucht werden, indem man die chemischen Elemente nachweist, die sie nach ihrem Tod in ihrer Umgebung verteilt haben", sagte Stefania Salvadori von der Universität Florenz, Koautorin der nun im "Astrophysical Journal" veröffentlichten Studie.
Je nach Masse der Ursterne setzten die ersten Supernovae verschiedene chemische Elemente frei: Kohlenstoff, Sauerstoff und Magnesium, die in den äußeren Schichten von Sternen vorkommen, wurden bei weniger energiereichen Explosionen ausgestoßen. Schwerere Elemente wie Eisen, das nur in den Kernen von Sternen vorkommt, entstanden dagegen bei heftigeren Supernovae. Das Team konzentrierte sich bei seiner Suche nach Hinweisen auf die ersten Supernovae mit niedriger Energie, hatte also Gaswolken im Visier, die arm an Eisen, aber reich an anderen Elementen sind.
Drei uralte Gaswolken
Den erhofften Erfolg lieferten schließlich Beobachtungsdaten vom Licht ferner Quasare, die mit dem Very Large Telescope (VLT) am Paranal-Observatorium der Europäischen Südsternwarte (ESO) in Chile gesammelt wurden. In diesen entdeckten die Forschenden drei uralte, sehr weit entfernte Gaswolken, die entstanden, als das Universum gerade einmal zehn bis fünfzehn Prozent seines heutigen Alters hatte. Die Analyse der Aufnahmen zeigte, dass der chemische Fingerabdruck dieser Gasansammlungen genau dem entspricht, was Fachleute von den Explosionen der ersten Sterne erwarten würden.
Diese charakteristische chemische Zusammensetzung konnte bei früheren Untersuchungen auch bei vielen alten Sternen in unserer eigenen Galaxie beobachtet werden, Sterne, die man der zweiten Generation zurechnet, die direkt aus der "Asche" der ersten Sterne hervorgegangen sind. "Unsere Entdeckung eröffnet neue Wege, um die Natur der ersten Sterne indirekt zu untersuchen, und ergänzt damit die Studien über die Sterne in unserer Galaxie", erklärte Salvadori. (tberg, 6.5.2023)