Kosmische Morgendämmerung: In unserer Milchstraße gibt es uralte Sterne
Einige der ältesten bekannten Sterne im Universum finden sich auch im galaktischen Zentrum unserer Milchstraße. Sie sind während der kosmischen Morgendämmerung entstanden, einer Zeit, die etwa 250 bis 350 Millionen Jahre nach dem Urknall begann und die ersten Sterne entstehen ließ.
Ein Forschungsteam fand heraus(öffnet im neuen Fenster) , dass die Bahnen der alten Sterne um das galaktische Zentrum relativ langsam sind. Ihre Umlaufbahn ist meist chaotischer als bei jüngeren Sternen, allerdings gibt es keine deutlichen Ausreißer - und auf den ersten Blick wäre ein Unterschied zwischen den Umlaufbahnen von jungen und alten Sternen wenig auffällig.
Wie kann man alte von jungen Sternen unterscheiden?
Doch woher wissen die Astronominnen und Wissenschaftler, dass es sich um alte Sterne aus der Zeit des jungen Universums, der Morgendämmung des Weltalls, handelt?
Wie alt ein Stern ist, lässt sich anhand seines Metallgehalts feststellen. Als sich die ersten Sterne im Universum bildeten, mussten sie sich aus den damals verfügbaren Elementen zusammensetzen - hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium. Doch in ihren Kernen begannen die Wasserstoffatome zu schwereren Elementen zu fusionieren, von Helium bis hin zu Eisen.
Als sie dann in chaotischen Supernovae explodierten, verteilten sie diese schwereren Elemente im ganzen Weltraum zusammen mit noch schwereren Elementen, die in energetischen Supernova-Prozessen in Sekundenbruchteilen geschmiedet wurden. Nachfolgende Sterne begannen ihr Leben daher mit einem größeren Anteil an schwererem Material.
Daraus folgerte das Forschungsteam: Je jünger ein Stern ist, desto mehr Metall wird er wahrscheinlich enthalten. Umgekehrt gilt aber auch: Je älter ein Stern ist, desto weniger Metall hat er wahrscheinlich.
Das Aufspüren der metallarmen Sterne
Zwar gibt es eine ganze Reihe solcher unberührten Sterne auch in der Milchstraße, allerdings meist in den Randgebieten und im galaktischen Halo. Das Halo beschreibt einen annähernd kugelförmigen Bereich, der eine Galaxie umschließt und viel größer als die eigentliche Galaxie ist. Grundlegend ging die astronomische Forschungsgruppe davon aus, dass sich die ältesten der alten Sterne im galaktischen Zentrum befinden sollten.
Diese zu finden war aber schwer, da diese Region reich an Metall ist und der ganze Staub unsere Sicht ins Zentrum der Milchstraße verhindert. Deswegen begann das Team mit dem Projekt Pigs (Pristine Inner Galaxy Survey, also: Untersuchung der unberührten inneren Galaxie). Dafür untersuchten sie das Lichtspektrum von Sternen. Deren Wellenlängen werden je nach vorhandenen Elementen entweder verstärkt oder abgeschwächt.
Somit haben Sterne mit den identischen Elementen eine ähnliche Signatur. Die Forscher fanden etwa 8.000 Kandidaten mit einer Signatur, die denen von Sternen mit wenig Metallgehalt entsprachen. Schließlich bestätigten sie die chemische Zusammensetzung der metallarmen Sterne und erhielten eine Stichprobe von 1.300 alten Sternen.
Die galaktischen Bahnen dieser alten Sterne konnten sie anschließend mit den Daten des Gaia-Observatoriums bestimmen. Gaia ist ein laufendes Projekt zur Kartierung der dreidimensionalen Positionen und Bewegungen der Sterne in der Milchstraße. Die meisten alten Sterne bewegen sich fast vollständig innerhalb des galaktischen Zentrums - selbst die Sterne mit elliptischen Bahnen bewegen sich zum größten Teil innerhalb der zentralen Region der Milchstraße. Entstanden sind diese Sterne wohl eine Milliarde Jahre nach dem Urknall.
Zur Studie
Die Forschungsergebnisse wurden auf dem britischen nationalen Astronomietreffen ( The National Astronomy Meeting(öffnet im neuen Fenster) ) zwischen dem 3. und 7. Juli 2023 vorgestellt. Das Forschungsteam veröffentlicht kontinuierlich neue Ergebnisse(öffnet im neuen Fenster) zu den frühen Sternen auf dem Pre-Print-Server arxiv.con. Die letzte Studie erschien am 18. Mai 2023 unter dem Titel The Pristine Inner Galaxy Survey (PIGS) VII: a discovery of the first inner Galaxy CEMP-r/s star(öffnet im neuen Fenster) (Die Untersuchung der unberührten inneren Galaxie (PIGS) VII: eine Entdeckung des ersten inneren Galaxiesterns CEMP-r/s).