Beobachterischer Nachweis von Sternen der ersten Generation

Beobachterischer Nachweis von Sternen der ersten Generation
18.Juni.2015 08:06
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17.06.2015 12:00
Beobachterischer Nachweis von Sternen
der ersten Generation
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Dr. Carolin Liefke - ESO Science Outreach Network
Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für Astronomie
Europäische Südsternwarte
Pressemitteilung der Europäischen Südsternwarte (Garching) Astronomen ist es gelungen, mit dem Very Large Telescope der ESO die
mit Abstand hellste Galaxie im frühen Universum zu entdecken.
Außerdem fanden sie deutliche Hinweise darauf, dass sich darin
Exemplare der ersten Generation von Sternen versteckt halten. Diese
massereichen, hell leuchtenden und zuvor rein theoretischen Objekte
haben die ersten schweren Elemente im Universum erzeugt – Elemente,
die notwendig für die Entstehung die Sterne waren, die uns heute
umgeben, ebenso wie für die Planeten, die sie umkreisen und das
Leben, wie wir es kennen.
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Astronomen haben lange über die Existenz von Sternen der ersten
Generation diskutiert, die man auch als Sterne der Population III
bezeichnet und die aus der Ur-Materie, die vom Urknall stammte,
entstanden sind [1]. Alle schwereren chemischen Elemente – wie
Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenstoff und Eisen, die für das Leben
unentbehrlich sind – wurden im Inneren von Sternen gebildet. Das
bedeutet, dass die ersten Sterne aus den einzigen Elementen
entstanden sein müssen, die vor diesen Sternen existierten:
Wasserstoff, Helium und Spuren von Lithium.
Künstlerische Darstellung
von CR7: die hellste
Galaxie im frühen
Universum.
Bild: ESO/M. Kornmesser
Diese Sterne der Population III wären gewaltig gewesen – mehrere
hundert- oder sogar tausendfach massereicher als die Sonne – glühend
heiß und kurzlebig – und wären als Supernovae nach gerade einmal
zwei Millionen Jahren explodiert. Aber bis heute ist die Suche nach
einem Beweis für ihre physikalische Existenz ergebnislos gewesen [2].
Ein Team, angeführt von David Sobral vom Institute of Astrophysics and
Space Sciences, der Faculty of Sciences der Universität Lissabon in
Portugal und der Sternwarte Leiden in den Niederanden, nutzten nun
das Very Large Telescope (VLT) der ESO um eine Phase in der Gesichte
des Universums, die man als Reionisationsepoche bezeichnet und die
schätzungsweise 800 Millionen Jahre nach dem Urknall stattfand,
genauer unter die Lupe zu nehmen. Anstatt sich bei ihren
Beobachtungen nur auf einen kleinen Ausschnitt des Himmels zu
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beschränken, erweiterten sie den Beobachtungsbereich, um die
umfangreichste Bestandsaufnahme weit entfernter Galaxien zu
erstellen, die je angestrebt wurde.
Durchgeführt wurde die weitreichende Untersuchung mit dem VLT, mit
dem W.-M.-Keck-Observatoriums, dem Subaru-Teleskop und dem
Hubble-Weltraumteleskops von NASA und ESA. Das Team entdeckte –
und bestätigte – eine große Zahl überraschend heller sehr junger
Galaxien. Eine von ihnen, die als CR7 bezeichnet wird [3], entpuppte
sich als ein außergewöhnlich seltenes Objekt und ist mit Abstand die
hellste Galaxie, die je in dieser Phase des Universums beobachtet
wurde [4]. Allein schon durch die Entdeckung von CR7 und anderen
hellen Galaxien war die Untersuchung bereits ein voller Erfolg, eine
weitere Inaugenscheinnahme lieferte allerdings zusätzliche
überraschende Neuigkeiten:
Die Instrumente X-Shooter und SINFONI am VLT fanden starke
Strahlung von ionisiertem Heliums in CR7, aber – und das war
ausschlaggebend und überraschend zugleich – keinerlei Anzeichen
schwerer Elemente in einem hellen Teil der Galaxie. Dies bedeutete,
dass das Team den ersten brauchbaren Hinweis auf Haufen von
Sternen der Population III, die ionisiertes Gas enthalten, innerhalb einer
Galaxie im frühen Universum entdeckt hatte.
„Diese Entdeckung übertraf unsere anfänglichen Erwartungen, da wir
nicht damit gerechnet hatten, eine solch helle Galaxie zu finden“, erklärt
David Sobral. „Dann, als wir das Wesen von CR7 Stück für Stück
enthüllten, verstanden wir, dass wir nicht nur die mit Abstand
leuchtkräftigste entfernte Galaxie gefunden hatten, sondern begannen
auch zu realisieren, dass sie jedes einzelne Merkmal besaß, das man
von Sternen der Population III erwartet. Das sind diejenigen Sterne, die
die ersten schweren Atome gebildet haben, aufgrund welcher wir
letztlich überhaupt existieren. Noch aufregender geht es wirklich nicht.“
Innerhalb von CR7 wurden blauere und etwas rötlichere Sternhaufen
gefunden, die darauf hinweisen, dass die Entstehung von Sternen der
Population III – wie vorhergesagt – in Wellen stattfand. Bei dem, was
das Team direkt beobachten konnte, handelte es sich um die letzte
Welle von Population III-Sternen, was darauf hindeutet, dass solche
Sterne einfacher zu finden sein sollten, als ursprünglich gedacht: Sie
befinden sich inmitten normaler Sterne in helleren Galaxien und nicht
nur in den frühesten, kleinsten und dunkelsten Galaxien, die so
lichtschwach sind, dass sie nur sehr schwer zu beobachten sind.
Jorryt Matthee, Zweitautor der Veröffentlichung, in der die Ergebnisse
präsentziert werden, erläutert abschließend: „Ich habe mich immer
gefragt, woher wir stammen. Schon als Kind wollte ich wissen, wo die
Elemente herkommen: das Kalzium in meinen Knochen, der Kohlenstoff
in meinen Muskeln, das Eisen in meinem Blut. Ich fand heraus, dass
diese zum ersten Mal gleich zu Beginn des Universum von der ersten
Generation an Sternen gebildet wurden. Bemerkenswerterweise sehen
wir mit dieser Entdeckung solche Objekte tatsächlich zum ersten Mal.“
Um Zweifel daran, dass das, was beobachtet wurde, Sterne der
Population III sind, auszuräumen und nach weiteren Exemplaren zu
suchen und sie zu identifizieren, sind weitere Beobachtungen mit dem
VLT, ALMA und dem Hubble-Weltraumteleskop der NASA/ESA geplant.
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Endnoten
[1] Der Name Population III kam auf, weil Astronomen die Sterne der
Milchstraße bereits in Sterne der Population I (Sterne wie die Sonne, die
reich an schwereren Elementen sind die galaktische Scheibe bilden)
und Population II (ältere Sterne mit einem geringen Anteil schwerer
Elemente, wie sie in Bulge und Halo der Milchstraße und in
Kugelsternhaufen zu finden sind) unterteilt haben.
[2] Solche Sterne zu finden, ist sehr schwierig: Sie hätten nur eine
extrem kurze Lebensdauer und hätten bereits zu einer Zeit geleuchtet,
als das Universum größtenteils lichtundurchlässig war. Bisherige
Forschungsergebnisse beinhalten Nagao, et al., 2008, die kein
ionisiertes Helium nachweisen konnten, De Breuck et al., 2000, die
ionisiertes Helium neben Kohlenstoff und Sauerstoff, sowie klare
Charakteristika eines aktiven Galaxienkerns entdeckt haben und
Cassata et al., 2013, die zwar ionisiertes Helium gefunden haben,
allerdings neben Kohlenstoff und Sauerstoff und nur mit einer sehr
geringen Äquivalentbreite bzw. schwachen Intensität.
[3] Der Spitzname CR7 ist eine Abkürzung für COSMOS Redshift 7, ein
Maß für die Entfernung bezogen auf das kosmische Alter. Je höher die
Rotverschiebung, desto weiter ist die Galaxie entfernt und desto weiter
zurück in der Geschichte des Universums ist sie beobachtbar. A1689zD1, eine der ältesten Galaxien, die je beobachtet wurde, hat
beispielsweise eine Rotverschiebung von 7,5.
Der Name wurde von dem bekannten portugiesischen Fußballer
Christiano Ronaldo inspiriert, der als CR7 bekannt ist.
[4] CR7 ist dreimal so hell wie der vorherige Rekordhalter, Himiko, den
man für einzigartig hielt. Staubreiche Galaxien aus späteren Stadien der
Entwicklung des Universums können zwar insgesamt deutlich mehr
Energie aussenden als CR7, allerdings in Form von Wärmestrahlung
des in Ihnen enthaltenen Staubes. Die von CR7 ausgesendete
Strahlung dagegen stammt im Wesentlichen aus dem Ultravioletten
bzw. aus dem sichtbaren Licht.
[5] Das Team zog zwei alternative Theorien in Erwägung, zum einen
dass die Quelle des Lichts entweder aus einem AGN oder von WolfRayet-Sternen stammt. Das Fehlen schwerer Elemente und anderer
Hinweise widerlegte jedoch diese Theorien. Das Team hielt es auch für
möglich, dass es sich bei der Quelle um ein direkt kollabiertes
Schwarzes Loch handelt, die wiederum außergewöhnlich exotisch und
rein theoretischer Natur sind. Dass eine breite Emissionslinie fehlt und
die Helligkeiten von Wasserstoff und Helium größer sind als für ein
solches Schwarzes Loch, deutet darauf hin, dass dies ebenfalls
unwahrscheinlich ist. Das Fehlen von Röntgenstrahlung würde diese
Möglichkeit weiter widerlegen. Hierfür sind jedoch zusätzliche
Beobachtungen notwendig.
Zusatzinformationen
Die hier präsentierten Forschungsergebnisse von D. Sobral et al.
erscheinen demnächst unter dem Titel ”Evidence for PopIII-like stellar
populations in the most luminous Lyman-α emitters at the epoch of rehttps://idw-online.de/de/news632939
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ionisation: spectroscopic confirmation“ in der Fachzeitschrift The
Astrophysical Journal.
Die beteiligten Wissenschaftler sind David Sobral (Instituto de
Astrofísica e Ciências do Espaço, Universidade de Lisboa, Lissabon,
Portugal; Departamento de Física, Faculdade de Ciências,
Universidade de Lisboa, Lissabon, Portugal; Sterrewacht Leiden,
Universiteit Leiden, Niederlande), Jorryt Matthee (Sterrewacht Leiden),
Behnam Darvish (Department of Physics and Astronomy, University of
California, Riverside, USA), Daniel Schaerer (Observatoire de Genève,
Département d’Astronomie, Université de Genève, Versoix, Schweiz;
Centre National de la Recherche Scientifique, IRAP, Toulouse,
Frankreich), Bahram Mobasher (Department of Physics and Astronomy,
University of California, Riverside, USA), Huub J. A. Röttgering
(Sterrewacht Leiden), Sérgio Santos (Instituto de Astrofísica e Ciências
do Espaço, Universidade de Lisboa; Departamento de Física,
Universidade de Lisboa, Portugal) und Shoubaneh Hemmati
(Department of Physics and Astronomy, University of California,
Riverside, USA).
Die Europäische Südsternwarte (engl. European Southern Observatory,
kurz ESO) ist die führende europäische Organisation für astronomische
Forschung und das wissenschaftlich produktivste Observatorium der
Welt. Getragen wird die Organisation durch 16 Länder: Belgien,
Brasilien, Dänemark, Deutschland, Finnland, Frankreich,
Großbritannien, Italien, die Niederlande, Österreich, Polen, Portugal,
Spanien, Schweden, die Schweiz und die Tschechische Republik. Die
ESO ermöglicht astronomische Spitzenforschung, indem sie
leistungsfähige bodengebundene Teleskope entwirft, konstruiert und
betreibt. Auch bei der Förderung internationaler Zusammenarbeit auf
dem Gebiet der Astronomie spielt die Organisation eine maßgebliche
Rolle. Die ESO verfügt über drei weltweit einzigartige
Beobachtungsstandorte in Chile: La Silla, Paranal und Chajnantor. Auf
dem Paranal betreibt die ESO mit dem Very Large Telescope (VLT) das
weltweit leistungsfähigste Observatorium für Beobachtungen im
Bereich des sichtbaren Lichts und zwei Teleskope für
Himmelsdurchmusterungen: VISTA, das größte
Durchmusterungsteleskop der Welt, arbeitet im Infraroten, während das
VLT Survey Telescope (VST) für Himmelsdurchmusterungen
ausschließlich im sichtbaren Licht konzipiert ist. Die ESO ist einer der
Hauptpartner bei ALMA, dem größten astronomischen Projekt
überhaupt. Auf dem Cerro Armazones unweit des Paranal errichtet die
ESO zur Zeit das European Extremely Large Telescope (E-ELT) mit 39
Metern Durchmesser, das einmal das größte optische Teleskop der Welt
werden wird.
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-Mitgliedsländern (und einigen weiteren Staaten) vertreten sind.
Deutscher Knoten des Netzwerks ist das Haus der Astronomie in
Heidelberg.
Kontaktinformationen
Carolin Liefke
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ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie
Heidelberg, Deutschland
Tel: 06221 528 226
E-Mail: [email protected]
David Sobral
Universidade de Lisboa and Leiden University
Lisbon / Leiden, Portugal / The Netherlands
Tel: +351 916 700 769
E-Mail: [email protected]
Richard Hook
ESO Public Information Officer
Garching bei München, Germany
Tel: +49 89 3200 6655
Mobil: +49 151 1537 3591
E-Mail: [email protected]
João Retrê
Coordinator, Science Communication and Outreach Office, Instituto de
Astrofísica e Ciências do Espaço
Lisbon, Portugal
Tel: +351 21 361 67 49
E-Mail: [email protected]
Weitere Informationen:
http://www.eso.org/public/germany/news/eso1524/?nolang Webversion der Pressemitteilung mit einem Video (auch in höher
aufgelösten Versionen). Zugang vor Ablauf der Sperrfrist bitte bei
[email protected] erfragen
http://www.eso.org/public/archives/releases/sciencepapers/eso1524/eso1524a.pdf
- Fachartikel
http://www.eso.org/public/germany/images/archive/search/?
adv=&subject_name=V... - Fotos vom Very Large Telescope
Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten, Wissenschaftler, jedermann
Physik / Astronomie
überregional
Forschungsergebnisse, Wissenschaftliche Publikationen
Deutsch
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