Wie sind die Sterne entstanden? Darüber gibt es jetzt eine neue Theorie, die bisherige Annahmen auf den Kopf stellt: Auf der Suche nach dem ersten Sonnenstrahl

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Es war eine titanische Explosion, die in einer fernen Galaxie einen riesigen Stern zerriss. Dabei schoss ein Blitz energiereicher Strahlung ins All. Er durchquerte das gesamte Universum. Im April 2009 erreichten ein paar der Strahlungsteilchen -sogenannte Gammaquanten -die Detektoren des Satelliten "Swift" der US-Raumfahrtbehörde Nasa. Rasch richteten Astronomen irdische Teleskope auf die von Swift ermittelte Position. Dort fanden sie den Feuerball der Sternexplosion und beobachteten ihn, bis er erlosch. Die Analyse des Lichts ergab, dass der Stern einer Galaxie angehörte, die 13,1 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt ist. Das aber bedeutet, dass sich die Explosion nur 630 Millionen Jahre nach dem Urknall ereignete, aus dem alle Materie im All hervorging. Die auseinander stiebende Ursonne ist damit das älteste und zugleich am weitesten entfernte von der Erde aus beobachtete Himmelsobjekt. "Es ist erstaunlich, dass es im Universum bereits so früh massereiche Sterne gab, die in dieser Weise explodieren konnten", urteilt der spanische Astronom Alberto Fernandez-Soto von der Uni Valencia, der an den Nachbeobachtungen der Detonation beteiligt war. Tatsächlich müssen die ersten Strukturen im Kosmos weit früher entstanden sein als die Astronomen bislang dachten. Darauf weisen auch andere Beobachtungen hin. So zeigt eine Aufnahme des Hubble-Weltraumteleskops vom Sommer 2009 rund 7500 Galaxien in den unterschiedlichsten Entwicklungsstadien (siehe kleines Bild) und aus fast allen kosmischen Epochen. Die ältesten davon sind in einem Zustand etwa 600 bis 800 Millionen Jahre nach dem Urknall zu sehen. Dies bestätigt, dass sich die ersten Sterne im Kosmos nur einige hundert Millionen Jahre nach dem Urknall gebildet haben müssen, der sich vor 13,7 Milliarden Jahren ereignete. Forschungsergebnisse wie diese ermöglichen den Kosmologen, die Evolution des Universums präziser zu skizzieren als jemals zuvor. Kurz nach dem Urknall war das noch winzige All von einem heißen Gas aus Elementarteilchen erfüllt; Physiker sprechen von einem Plasma. Es war elektrisch geladen und absorbierte deshalb die Lichtteilchen (Photonen), die in dem glühenden Plasma in großer Zahl entstanden. Deshalb war die Materie im frühen All undurchsichtig. Kleine Schwankungen darin bewirkten, dass Gebiete entstanden, in denen die Dichte gegenüber Nachbarregionen ein wenig erhöht war. Darin sammelte sich, angezogen von ihrer Schwerkraft, weitere Materie an. Diese Verdichtungen waren die Samenkörner der späteren Galaxien. Nach 380 000 Jahren war das Universum soweit abgekühlt, dass sich die Atomkerne und Elektronen in dem Plasma zu elektrisch neutralen Atomen verbanden. Die Photonen wurden nicht länger absorbiert und konnten frei fliegen: das All wurde durchsichtig, die Strahlung verflüchtigte sich. Sie ist heute noch in Form der sogenannten Mikrowellen-Hintergrundstrahlung messbar. Nun drifteten kalte Gaswolken durch den leeren Raum. Kein Lichtstrahl erhellte ihn, denn noch schien im All kein Stern. Dann aber flammten die himmlischen Leuchtfeuer nacheinander auf. Stern um Stern bildete sich -es ward Licht im Universum. Fremdartige Kosmen Die Gasmassen, so erklären die Astronomen das einsetzende Feuerwerk, hatten sich zu Klumpen verdichtet, die sich unter dem Sog der Gravitation zusammenballten und aufheizten. Schließlich war in ihrem Innern die "Zündtemperatur" erreicht -erste Kernfusionsreaktionen begannen. Die Gasbälle strahlten die durch die Kernverschmelzung erzeugte Energie in Form von Photonen ab, die von da an das All mit Licht und Wärme erfüllten. Diesen Prozess konnten US-Kosmologen mit Hilfe leistungsstarker Computer simulieren. Eines der Rechenmodelle schuf der Astrophysiker Volker Bromm von der University of Texas in Austin. Seine virtuellen Entdeckungsreisen führten ihn in fremdartige Kosmen. Einer davon expandiert so schnell, dass seine Materie sich nie zu Klumpen ballt. Ein anderes All ist von Schwerkraft geprägt. Die Gaswolken darin stürzen fast übergangslos zu Schwarzen Löchern zusammen. "Solche Szenarien zeigen, dass nur unter bestimmten Voraussetzungen im All das Licht angeht", so Bromm. "Vor allem die Expansionsgeschwindigkeit des Raums und die Verteilung der Urmaterie müssen stimmen. Sterne sind also ein Glücksfall." Wie sich zeigte, waren die aus dem wabernden Chaos geborenen Sonnen extrem massereich, gleißend hell und explodierten nach wenigen Millionen Jahren als Supernovae. So konnten sich Sterngiganten von der 100- bis 1000-fachen Masse unserer Sonne bilden. Sie waren mit Oberflächentemperaturen von 100 000 Kelvin rund 18 Mal heißer als diese und strahlten eine Million Mal heller. Vermutlich zogen sie als einsame Wanderer durchs All. Sterne in unserer Milchstraße entstehen oft in Mehrfachsystemen. Die frühen Riesensonnen unterbanden aber das Heranwachsen von Geschwistern -das verhinderte ihre immense Strahlung. Ihre Größe hatte überdies einen Preis: Die ersten Sterne lebten nicht lange. Unserer Sonne schreiben die Astronomen eine Lebenserwartung von zehn Milliarden Jahren zu. Den mächtigsten ihrer Urahnen ging der Brennstoff aber bereits nach wenigen Millionen Jahren aus. Dann endeten sie in einer furiosen Supernova-Explosion. Die erste Sternengeneration war somit schon nach kurzer Zeit verglüht. Ihr Tod legte den Grundstein für weitere Sterngenerationen -und damit für das Leben auf der Erde. In den Fusionsöfen der Monstersonnen waren neue Elemente wie Eisen, Silizium, Sauerstoff, Kohlenstoff und Uran entstanden. Das Feuerwerk der Supernovae verteilte sie im All, wo sie sich im interstellaren Gas anreicherten. Die schweren Atome entzogen den Gaswolken jedoch Bewegungsenergie. Die Folge: Diese kollabierten rascher als zuvor. Daher saugten sie auf dem Weg zum Protostern merklich weniger Materie aus ihrer Umgebung an. Nun erblühten kleinere und langlebigere Sonnen - viele von ihnen von Staubscheiben umgeben, in denen sich Planeten formierten. Einer davon ist die Erde. Parallel zu den Sternen entstanden auch die Vorläufer der heutigen Galaxien. Die schon im Ur-Plasma verdichteten Bereiche der Gasmassen zogen über Jahrmillionen immer mehr Masse aus dem umgebenden Raum an. Diese Protogalaxien bildeten ein Netz, in dessen Knoten heute die Galaxienhaufen und -superhaufen sitzen. In ihren Zentren zündeten 100 bis 250 Millionen Jahre nach dem Urknall die ersten Sterne. Zu diesem Zeitpunkt hatte das Universum gerade etwa ein Prozent seines jetzigen Alters erreicht. Hubble-Bilder zeigen, dass relativ nahe Galaxien meist ausgereifte elliptische und Spiralformen haben. Mit zunehmender Distanz werden ihre Formen immer chaotischer. Die am weitesten entfernten sind klein, lichtschwach und irregulär geformt. Ihre durchschnittliche Größe ist 20 Mal geringer als die unserer Milchstraße, deren Durchmesser 100000 Lichtjahre beträgt, und sie besitzen nur ein Prozent von deren Masse. Aus diesen Daten entwarfen die Astronomen ein hierarchisches Modell der Galaxienentstehung: Zuerst bilden sich die irregulären Zwerggalaxien. Weil das Universum in dieser frühen Epoche noch viel kleiner war, standen sie recht eng beieinander. Dadurch kollidierten oder verschmolzen sie häufig mit ihren kosmischen Nachbarn und nahmen dadurch an Masse zu. Im Verlauf der Äonen wuchsen diese Bausteine so zu den großen Sterneninseln heran, die wir in der Umgebung der Milchstraße sehen. Zur Überraschung der Forscher zeigte sich, dass viele der fernen Protogalaxien blau leuchten. Der Grund ist, dass die Sterne darin kaum schwere Elemente enthalten und deshalb heiß und damit hell sind. Überdies fehlt in ihnen der Staub, den sterbende Sonnen mit ihren Gashüllen in ihre Umgebung blasen. Kosmischer Staub aber verfärbt das von den Sterneninseln ausgesandte Licht rötlich. "Diese schwach leuchtenden Galaxien sind offenbar mit den ersten Sternen im Universum verbunden", glaubt Rychard Bouwens von der University of California in Santa Cruz, der an der Auswertung des Hubble-Bildes mitarbeitete. "Weil sie so blau und damit metallarm sind, gehören sie einer Population mit primordialem Charakter an." Dies bedeute, dass die ersten Sterne hunderte von Millionen Jahren früher entstanden sein müssen als bisher gedacht. Wie das möglich ist, ist für die Kosmologen jedoch ein Rätsel. Denn allein die Gravitation konnte die Bildung von Sternen und Galaxien in diesem kurzen Zeitraum nach ihren Berechnungen nicht vollbringen. Es muss also einen weiteren Faktor geben, der das rasche Zusammenklumpen der Gasmassen nach dem Urknall beschleunigte. Der französische Astrophysiker David Elbaz glaubt, die treibende Kraft gefunden zu haben: die Quasare. So nennen die Himmelsforscher extrem helle Objekte, die aus Milliarden Lichtjahren Entfernung zur Erde leuchten. Schon in den frühesten kosmischen Phasen entstanden sie in großer Zahl. Bei Quasaren handelt es sich nach heutigem Wissen um Schwarze Löcher in den Zentren von Galaxien, die mehrere Millionen bis wenige Milliarden Sonnenmassen aufweisen. Durch ihre titanische Schwerkraft reißen sie das Material in ihrer Umgebung an sich. Die Gasmassen sammeln sich in einer Scheibe und fallen auf einer spiralförmigen Bahn um das zentrale Objekt, wobei sie sich durch Reibung extrem aufheizen. In den Teleskopen der Astronomen wird die weiß glühende Gasscheibe dann als kosmisches Leuchtfeuer sichtbar. Feuersturm neuer Sterne Durch ihre Rotation schleudern die Schwarzen Löcher jedoch einen Teil der einfallenden Materie an ihren Polen wieder aus. Sie wird dabei von starken Magnetfeldern zu dünnen Strahlen gebündelt. Laut Elbaz' Theorie schieben diese "Jets" die Gasmassen in der Umgebung des Quasars zusammen und lösen so einen wahren Feuersturm an Sternentstehung aus. Aus einer bis dahin ruhenden Gaswolke wird somit innerhalb kürzester Zeit eine ausgewachsene Galaxie. "Möglicherweise gäbe es uns nicht, wenn nicht ein massereiches Schwarzes Loch mit seinen Jets die Protogalaxie geschaffen hätte, die heute unsere Milchstraße ist", meint Elbaz. Damit stellt der französische Forscher die bisherige Theorie von der kosmischen Evolution auf den Kopf. Ihr zufolge sollten zuerst die Riesensterne entstanden sein, die nach wenigen Millionen Jahren ausbrannten und zu sogenannten stellaren Schwarzen Löchern kollabierten. Da die Ursonnen vermutlich in superdichten Haufen beieinander standen, konnten sich ihre Relikte leicht zu einer supermassiven Schwerkraftfalle vereinen. Wie aber konnten die Schwarzen Löcher vor den ersten Sternen entstehen? Zur Lösung dieses Henne-und-Ei-Problems gibt es mehrere Ideen. Eine davon entwickelten die Astronomen Fred Hoyle and Willy Fowler bereits 1963. Viele der ersten Sterne, so ihre Theorie, waren so massereich, dass der Druck der Strahlung, die aus ihrem Kern nach außen drang, zu schwach war, um die nach innen gerichtete Gravitationskraft zu stoppen. Sie kollabierten rasch unter ihrer eigenen Schwerkraft, dabei entstanden Schwarze Löcher von einigen hundert Sonnenmassen. Ein noch fantastischeres Szenario entwickelte der Astrophysiker Mitchell Begelman von University of Colorado in Boulder. Nach seinen Berechnungen begann in den massereichen Sternen das Fusionsfeuer zwar zu brennen, doch die Schwerkraft in ihren Kernen war so stark, dass die Materie dort zu einem Schwarzen Loch zusammenstürzte. Nachdem die Materie in den äußeren Schalen ausgebrannt war, sprengte der Stern diese ab, und das darunter liegende Schwerkraftmonster kam zum Vorschein. In einigen Jahren dürfte sich zeigen, welche der Theorien zutrifft. Im Jahr 2014 soll das James-Webb-Weltraumteleskop starten. In einer Entfernung von 1,5 Millionen Kilometern, vier Mal so weit weg wie der Mond, wird es über der Nachtseite der Erde platziert. Seine Instrumente sind für die Beobachtung der leuchtenden Relikte aus der Urzeit des Alls ausgelegt. Damit, hoffen die Astronomen, könne ihnen die Sensation gelingen: die ersten im All leuchtenden Sonnenstrahlen zu erhaschen. Dann würden sie die Evolution des Universums vom Urknall bis heute fast lückenlos verstehen. ------------------------------ Schwarze Löcher Sind Quasare die treibende Kraft hinter der Entstehung der ersten Sterne? Das glaubt der französische Astrophysiker David Elbaz. Quasare sind Schwarze Löcher in den Zentren von Galaxien, die hunderte Millionen Sonnenmassen haben können. Durch ihre titanische Schwerkraft reißen sie das Material in ihrer Umgebung an sich. Durch ihre Rotation schleudern die Schwarzen Löcher jedoch einen Teil der einfallenden Materie an ihren Polen wieder weg. Die Materie wird dabei von starken Magnetfeldern zu dünnen Strahlen gebündelt. Diese sogenannten Jets bohren sich mit ultrahoher Geschwindigkeit in die Gasmassen rund um den Quasar. Sie schieben diese infolgedessen zusammen und lösen so eine gewaltige Welle der Entstehung neuer Sterne aus - so lautet jedenfalls Elbaz' Theorie. ------------------------------ "Nur unter bestimmten Voraussetzungen geht im All das Licht an. Sterne sind also ein Glücksfall." Volker Bromm, Astrophysiker an der University of Texas in Austin Foto: Rund 13 Milliarden Jahre alt sind diese Galaxien. Foto: Sternenfabrik im Carina Nebel: Die riesige, drei Lichtjahre durchmessende Gaswolke beheimatet eine Menge junger Sterne, die ständig ultraheiße Gasjets abfeuern und so die Geburt weiterer neuer Sterne verursachen.

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