🌟 Überreste eines kolossalen Ursterns identifiziert?
Das James-Webb-Weltraumteleskop liefert nun einen soliden Ansatz, um dieses Rätsel zu lösen. Seine Beobachtungen haben in einer fernen Galaxie eine außergewöhnliche chemische Signatur enthüllt. Dieses Signal deutet auf die vergangene Präsenz von Sternen von kolossaler Masse und Größe hin, die tausende Male massereicher als unsere Sonne waren und die frühen Zeitalter des Kosmos bevölkert haben könnten.
Bisher nur theoretisch vorhergesagt, könnte diese Beobachtung die Existenz dieser sogenannten "Population-III"-Sterne bestätigen.
Künstlerische Darstellung mehrerer Sterne der Population III.
Bildnachweis: NASA/WMAP Science Team
Diese Entdeckung konzentriert sich auf die Galaxie GS 3073. Durch die Analyse ihrer Zusammensetzung haben die Wissenschaftler ein deutliches Ungleichgewicht zwischen den Mengen an Stickstoff und Sauerstoff identifiziert. Dieses besondere chemische Profil entspricht keinem heute bekannten Sterntyp. Das Forschungsteam, an dem die Universität Portsmouth und das Center for Astrophysics beteiligt sind, sieht darin den indirekten Beweis, dass diese heute verschwundenen Giganten tatsächlich existiert haben.
Stickstoff spielt hier die Rolle eines wahren kosmischen Tracers. Seine ungewöhnlich hohe Häufigkeit im Vergleich zu Sauerstoff in GS 3073 bildet einen einzigartigen Fingerabdruck. Nur urtümliche Sterne von ungeheurer Masse können ein solches Verhältnis erzeugen.
Computermodelle helfen zu verstehen, wie diese riesigen Gestirne so viel Stickstoff produzieren konnten. In ihrem Kern wandeln Fusionsreaktionen Helium in Kohlenstoff um. Dieser Kohlenstoff wird dann in äußere Schichten transportiert, wo er, durch Reaktion mit Wasserstoff, über einen Kohlenstoff-Stickstoff-Sauerstoff-Zyklus (siehe unten) Stickstoff erzeugt. Dieser Prozess, gekoppelt mit einer sehr aktiven internen Konvektion, verteilt den Stickstoff im Stern, bevor er in den Weltraum ausgestoßen wird.
Darstellung der Entwicklung supermassereicher Ursterne.
Bildnachweis: Devesh Nandal
Das Lebensende dieser stellaren Kolosse ist ebenso besonders. Anstatt in einer Supernova zu explodieren, kollabieren sie direkt in sich selbst zu einem Schwarzen Loch. Dieses Phänomen führt von Anfang an zur Bildung von Schwarzen Löchern mit mehreren tausend Sonnenmassen. Das aktive Schwarze Loch im Zentrum von GS 3073 könnte der Überrest eines solchen Ursterns sein.
Diese Entdeckung öffnet ein neues Fenster zu den ersten Kapiteln der kosmischen Geschichte. Sie zeigt, dass die anfängliche Sternpopulation wahrscheinlich sehr unterschiedlich von der heutigen war und Objekte mit extremen Eigenschaften umfasste. Das James-Webb-Teleskop sollte es ermöglichen, andere Galaxien mit einem ähnlichen Stickstoffüberschuss zu identifizieren und diese Vision eines von Giganten bevölkerten jungen Universums zu festigen.
Der Kohlenstoff-Stickstoff-Sauerstoff-Zyklus (CNO-Zyklus) in massereichen Sternen
In sehr massereichen Sternen beruht die Energieerzeugung nicht allein auf der direkten Fusion von Wasserstoff zu Helium. Ein anderer Mechanismus, genannt Kohlenstoff-Stickstoff-Sauerstoff-Zyklus, übernimmt und wird dominant. Dieser Zyklus nutzt Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff als Katalysatoren, um Wasserstoff in Helium umzuwandeln und setzt dabei eine immense Menge Energie frei.
Der Prozess beginnt mit Kohlenstoff-12 im Kern des Sterns. Er fängt einen Wasserstoffkern (ein Proton) ein und verwandelt sich in instabilen Stickstoff-13. Nach einem radioaktiven Zerfall wird er zu Kohlenstoff-13. Dieser fängt wiederum ein Proton ein und wird zu Stickstoff-14, einem stabilen Isotop.
Stickstoff-14 kann dann ein weiteres Proton einfangen und zu instabilem Sauerstoff-15 werden. Durch Zerfall kehrt es in den Zustand von Stickstoff-15 zurück. Schließlich fängt Stickstoff-15 ein viertes Proton ein, aber diesmal spaltet es sich, anstatt ein schwereres Element zu erzeugen, in Helium-4 und Kohlenstoff-12 auf. Der Kohlenstoff-12 wird so regeneriert, was den Zyklus von Neuem beginnen lässt.
In extrem massereichen Ursternen ist dieser Zyklus aufgrund der enormen Temperaturen und Drücke besonders effizient und schnell. Er führt zu einer bedeutenden Produktion und Durchmischung von Stickstoff im Inneren des Gestirns. Dieser Stickstoff wird anschließend in das interstellare Medium ausgestoßen und hinterlässt die charakteristische chemische Signatur, die wir heute beobachten.