Pressemitteilung

Ein Stern, den es gar nicht geben dürfte

31. August 2011

Ein Team europäischer Astronomen hat mithilfe des Very Large Telescope (VLT) der ESO einen Stern ausfindig gemacht, der nach herkömmlichem astronomischen Verständnis gar nicht existieren dürfte. Der Stern besteht nahezu ausschließlich aus Wasserstoff und Helium und enthält nur winzige Spuren anderer Elemente. Mit dieser ungewöhnlichen chemischen Zusammensetzung fällt der Stern in eine Art „verbotene Zone“ der gängigen Theorie der Sternentstehung: Eigentlich hätte er gar nicht erst entstehen dürfen. Die neuen Ergebnisse erscheinen am 1. September 2011 in der Fachzeitschrift Nature.

Die von den Astronomen vorgenommenen Beobachtungen zeigten, dass der lichtschwache Stern mit der kryptischen Bezeichnung SDSS J102915+172927 [1] im Sternbild Leo (der Löwe) im Vergleich mit allen bislang untersuchten Sternen den geringsten Anteil an chemischen Elementen schwerer als Helium beinhaltet. (Astronomen bezeichnen solche Elemente in Abweichung vom allgemeinen Sprachgebrauch als “Metalle”. Der Stern hat eine geringere Masse als die Sonne und ist vermutlich mehr als 13 Milliarden Jahre alt.

“Die allgemein akzeptierte Theorie besagt, dass Sterne wie dieser aufgrund ihrer geringen Masse und des extrem geringen Anteils an schweren Elementen gar nicht existieren sollten. Schon die Gas- und Staubwolken, aus denen ein solcher Stern entsteht, hätten sich gar nicht ausreichend verdichten können sollen [2]“, erklärt Elisabetta Caffau vom Zentrum für Astronomie der Universität Heidelberg und vom Observatoire de Paris in Frankreich. Caffau, die Erstautorin der Studie, in der die neuen Ergebnisse präsentiert werden, fügt hinzu: “Zum ersten Mal wurde jetzt  ein Stern in einer 'verbotenen Zone' der Sternentstehung entdeckt. Das war für uns eine große Überraschung. Nun werden die Astrophysiker einige ihrer Modelle für die Entstehung von Sternen überdenken müssen.”

Das Wissenschaftlerteam untersuchte die Eigenschaften des Sterns mit den beiden Spektrografen X-Shooter und UVES am VLT [3]. Die Spektralanalyse ermöglicht es den Anteil einer Vielzahl von chemischen Elementen in der Sternatmosphäre zu bestimmen. Auf diese Weise fanden die Astronomen heraus, dass der Gehalt von schweren Elementen in SDSS J102915+172927 um einen Faktor 20.000 geringer ist als in der Sonne [4][5].

“Der Stern ist so lichtschwach und metallarm, dass wir bei unserer ersten Messung nur ein einziges chemisches Element schwerer als Helium nachweisen konnten, nämlich Kalzium”, ergänzt Piercarlo Bonifacio vom Observatoire de Paris, der das Projekt geleitet hat. “Wir mussten zusätzliche Beobachtungszeit beim ESO-Generaldirektor beantragen, um den Stern noch genauer unter die Lupe nehmen zu können. Nur mit mehr Belichtungszeit hatten wir Chancen, überhaupt noch weitere Metalle nachweisen zu können.”

Kosmologen glauben, dass die beiden leichtesten chemischen Elemente, Wasserstoff und Helium, zusammen mit Spuren von Lithium kurz nach dem Urknall entstanden sind [6]. Nahezu alle anderen schwereren Elemente sind erst viel später gebildet worden – entweder durch Fusionsprozesse im Inneren von Sternen oder bei Supernovaexplosionen am Ende eines Sternlebens. Dabei wird das metallreiche Material außerdem mit der Materie im Raum zwischen den Sternen vermischt, dem so genannten interstellaren Medium, Aus diesem mit Metallen angereicherten Material entsteht dann die nächste Sterngeneration und die neu entstandenen Sterne haben einen höheren Metallgehalt als die Generation zuvor. Der Anteil an Metallen verrät daher auch, wie alt ein Stern ist, oder besser gesagt, wieviele Sterngenerationen das Material, aus dem er besteht, bereits durchlaufen hat.

“Dass der Stern, den wir untersucht haben, so extrem metallarm ist, bedeutet, dass er aus der Frühzeit des Universums stammen muss. Er könnte einer der ältesten Sterne sein, die man jemals finden wird”, ergänzt Lorenzo Monaco von der ESO in Chile, der ebenfalls an der Studie beteiligt war.

Besonders überraschend für die Wissenschaftler ist der Mangel an Lithium in SDSS J102915+172927. Ein so alter Stern sollte in etwa dieselbe Elementzusammensetzung haben wie das Universum kurz nach dem Urknall und daher einige wenige Metalle enthalten. Der Lithiumanteil des Sterns ist allerdings fünfzig mal geringer, als man aus den Berechnungen zur Elementenstehung kurz nach dem Urknall erwarten würde.

“Es ist uns ein Rätsel, wie das Lithium, das sich zu Beginn des Universums gebildet haben muss, in diesem Stern zerstört wurde”, sagt Bonifacio.

Die Wissenschaftler sind dennoch überzeugt davon, dass der seltsame Stern nicht alleine ist:  “Wir haben noch eine ganze Reihe von Kandidaten, die einen ähnlich geringen Metallgehalt haben könnten wie SDSS J102915+172927, vielleicht sogar einen noch geringeren. Deshalb wollen wir diese Sterne ebenfalls mit dem VLT überprüfen”, schließt Caffau.

Endnoten

[1] Der Stern wurde vom so genannten Sloan Digital Sky Survey (SDSS) katalogisiert. Die Ziffern in seiner Bezeichnung entsprechen seinen Koordinaten am Himmel.

[2] Die gängigen Theorien der Sternentstehung gehen davon aus, dass Sterne mit einer Masse in der Größenordnung derjenigen von SDSS J102915+172927 (etwa 0,8 Sonnenmassen und weniger) sich erst gebildet haben können, nachdem Supernovaexplosionen das interstellare Medium bis zu einem kritischen Maß angereichert hatten. Die schweren Elemente werden als „Kühlmittel“ benötigt, das die Wärme der Gaswolken abstrahlt und ihnen dadurch erst erlaubt, in sich zusammenzufallen, so dass sich neue Sterne bilden. Ohne die Metalle wäre der Druck im Wolkeninneren zu stark und die Schwerkraft der Wolken zu schwach, um die Wolken kollabieren zu lassen. Ein verbreitetes Modell postuliert insbesondere Kohlenstoff und Sauerstoff als Kühlmittel, aber in SDSS J102915+172927 ist der Kohlenstoffgehalt geringer als das notwendige Minimum, das für hinreichend starke Kühlung benötigt wird.

[3] X-Shooter und UVES sind Spektrografen am Very Large Telescope, also Instrumente, die das Licht von Himmelsköpern in seine Farbbestandteile zerlegen. Durch die Untersuchung von so genannten Spektrallinien – eng begrenzten Farbbereichen, in denen besonders viel oder besonders wenig Licht ausgesandt wird – wird eine Analyse der chemischen Zusammensetzung des untersuchten Objektes möglich. X-Shooter deckt einen großen Wellenlängenbereich des Spektrums vom Ultravioletten bis in das Nahinfrarote in einer einzigen Aufnahme ab, während UVES, der   Ultraviolet and Visual Echelle Spectrograph, Spektren mit hoher Auflösung liefert.

[4] Der 2005 entdeckte Stern HE 1327-2326 besitzt die niedrigste bekannte Eisenhäufigkeit, dafür aber einen relativ hohen Kohlenstoffgehalt. SDSS J102915+172927 hat insgesamt dern geringsten Metallgehalt, wenn man alle chemischen Elemente schwerer als Helium zusammennimmt.

[5] Die Teleskope der ESO waren bereits an zahlreichen früheren Beobachtungen der metallärmsten Sterne beteiligt, siehe eso0228 und eso0723. Mit den neuen Beobachtungen ist die ESO erneut mit dabei, wenn sich die Astronomen Schritt für Schritt an die allererste, längst vergangene Sterngeneration herantasten.

[6] Die Entstehung von chemischen Elementen kurz nach dem Urknall, die mehr als ein Proton enthalten, bezeichnet man als primordiale Nukleosynthese. Dieser Vorgang ist sehr schnell abgelaufen, so dass dabei nur Wasserstoff, Helium und Lithium, aber keine schwereren Elemente entstehen konnten. Die entsprechenden Rechnungen ergeben, dass die primordiale Materiezusammensetzung bei etwa 75 Massenprozent Wasserstoff, 25% Helium und Spuren von Lithium lag. Beobachtungen bestätigen diese Werte.

Weitere Informationen

Die hier vorgestellten Forschungsergebnisse von Caffau et al. erscheinen am 1. September 2011 unter dem Titel “An extremely primitive halo star” in der Fachzeitschrift Nature.

Die beteiligten Wissenschaftler sind Elisabetta Caffau (Zentrum für Astronomie der Universität Heidelberg [ZAH] und GEPI - Observatoire de Paris, Université Paris Diderot, CNRS, Frankreich), Piercarlo Bonifacio (GEPI), Patrick François (GEPI und Université de Picardie Jules Verne, Amiens, Frankreich), Luca Sbordone (ZAH, Max-Planck Institut für Astrophysik, Garching, und GEPI), Lorenzo Monaco (ESO, Chile), Monique Spite (GEPI), François Spite (GEPI), Hans-G. Ludwig (ZAH und GEPI), Roger Cayrel (GEPI), Simone Zaggia (INAF, Osservatorio Astronomico di Padova, Italien), François Hammer (GEPI), Sofia Randich (INAF, Osservatorio Astrofisico di Arcetri, Florenz, Italien), Paolo Molaro (INAF, Osservatorio Astronomico di Trieste, Italien) und Vanessa Hill (Université de Nice-Sophia Antipolis, Observatoire de la Côte d’Azur, CNRS, Laboratoire Cassiopée, Nizza, Frankreich).

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Die Übersetzungen von englischsprachigen ESO-Pressemitteilungen sind ein Service des ESO Science Outreach Network (ESON), eines internationalen Netzwerks für astronomische Öffentlichkeitsarbeit, in dem Wissenschaftler und Wissenschaftskommunikatoren aus allen ESO-Mitgliedsstaaten (und einigen weiteren Ländern) vertreten sind. Deutscher Knoten des Netzwerks ist das Haus der Astronomie am Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg.

Links

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