Die Geburt der Giganten – wie massereiche Sterne unser Universum gebildet und gestaltet haben
Trotz bedeutender Fortschritte bleiben die Entstehungsprozesse massereicher Sterne ein Rätsel. Wie entstehen diese kosmischen Triebwerke aus interstellaren Gaswolken und welche physikalischen Prozesse begrenzen, wie groß sie werden können? Ihr kompliziertes Zusammenspiel mit der Bildung von Sternhaufen und den Auswirkungen der sehr unterschiedlichen galaktischen Umgebungen führt zu zusätzlicher Komplexität. Darüber hinaus stellt sich die Frage, ob die ersten Sterne im Universum die Keime supermassereicher schwarzer Löcher gewesen sein könnten. Dank der jüngsten Fortschritte bei den Berechnungsmethoden und Beobachtungsinstrumenten ist die Forschung nun in der Lage, bei der Beantwortung dieser Fragen erhebliche Fortschritte zu erzielen. Das EU-finanzierte Projekt MSTAR(öffnet in neuem Fenster) hatte zum Ziel, ein allgemeines theoretisches Rahmenwerk für das Verständnis der Bildung massereicher Sterne und Sternhaufen bereitzustellen und insbesondere zu untersuchen, wie sich diese Prozesse unter verschiedenen kosmischen Bedingungen verändern. „Angesichts der Komplexität der Sternentstehung – ein Zusammenspiel nichtlinearer Dynamik und vielfältiger physikalischer und chemischer Prozesse, die in gewaltigem räumlichen und zeitlichen Maßstab ablaufen – müssen alle theoretischen Erkenntnisse durch Beobachtungen gründlich untermauert werden“, erklärt Projektkoordinator Jonathan Tan. Um dies zu erreichen, hat die Forschungsgruppe hochmoderne Beobachtungsprogramme in allen Wellenlängenbereichen von Radio bis Röntgen durchgeführt und dabei auch neueste Einrichtungen wie das James-Webb-Weltraumteleskop genutzt.
Entschlüsselung der Bildung massereicher Sterne durch chaotische Strömungen
„Ein Verständnis der Geburt massereicher Sterne ist entscheidend, da sie die physikalische und chemische Entwicklung von Galaxien bestimmen. Sie haben sogar Einfluss darauf, ob zukünftige Sternengenerationen Planeten bilden – und möglicherweise Leben ermöglichen – können“, betont Tan. Um ihre Entstehung besser zu verstehen, entwickelte das Projektteam Modelle, die auf der turbulenten Kernakkretion beruhen – ein Rahmenwerk, das beschreibt, wie Sterne in dichten, turbulenten, magnetisierten Gaskernen wachsen. Diese Modelle verbinden beobachtbare Merkmale wie spektrale Energieverteilungen mit grundlegenderen Eigenschaften wie der Masse eines Sterns und der Akkretionsrate. Diese Verbindung erwies sich als entscheidend für die Interpretation der Beobachtungen und die Prüfung, ob sich das Modell der turbulenten Kernakkretion bewährt.
Von den ersten Sternen zu supermassiven schwarzen Löchern
„Bislang ist das der Fall. Wir haben die Vorhersagen des Modells der turbulenten Kernakkretion in verschiedenen galaktischen Umgebungen erfolgreich validiert, vom dichten galaktischen Zentrum bis hin zum spärlichen äußeren Rand“, erklärt Tan. „Durch diese Ergebnisse ermutigt dehnten wir die Theorie auf das frühe Universum aus und konzentrierten uns auf die ersten Sterne – Sterne der Population III. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich diese Sterne aufgrund ihrer Wechselwirkungen mit Dunkler Materie ganz anders verhalten als lokale massereiche Sterne.“ Laut Tan könnte dies dazu geführt haben, dass sie zu supermassiver Größe heranwuchsen – bis zum 100 000-fachen der Sonnenmasse –, was eine plausible Erklärung für den Ursprung der supermassiven schwarzen Löcher in den meisten großen Galaxien wäre. Das Modell „Population III.1“ sagte voraus, dass sich supermassereiche Schwarze Löcher mit einer beträchtlichen Masse schon früh im Universum bildeten, eine Theorie, die nun durch die bahnbrechenden Entdeckungen mithilfe des James-Webb-Weltraumteleskops gestützt wird.
Früher Energiestoß, der die Entwicklung des Universums vereinfacht
Eine bemerkenswerte Vorhersage dieses Modells ist eine frühe Phase der kosmischen Reionisierung – ein Energiestoß, der das Universum in seinen ersten Momenten ionisierte. Sollte dies so vorgefallen sein, könnte es erklären, warum die Wissenschaft nach außergewöhnlichen Theorien suchen muss, um zu beschreiben, wie sich das Universum entwickelt hat. „So beruhen die derzeitigen Modelle auf scheinbar unwahrscheinlichen Lösungen wie negativen Neutrinomassen oder einer sich dynamisch entwickelnden dunklen Energie, um mit den Beobachtungen in Einklang zu stehen. Aber wenn diese frühe Ionisierungsphase wie vorhergesagt eintrat, sind diese exotischen Erklärungsansätze vielleicht nicht mehr nötig“, schließt Tan.
