Die ersten Sterne im Kosmos hatten möglicherweise die 10.000-fache Masse der Sonne und waren damit etwa 1.000-mal größer als die größten heute lebenden Sterne, wie eine neue Studie zeigt;
Heutzutage haben die größten Sterne eine Masse von 100 Sonnenmassen. Aber das frühe Universum war ein weitaus exotischerer Ort, gefüllt mit Mega-Riesensternen, die schnell lebten und sehr, sehr jung starben, fanden die Forscher heraus.
Und nachdem diese zum Untergang verurteilten Riesen ausgestorben waren, waren die Bedingungen für ihre erneute Entstehung nicht mehr gegeben.
Das kosmische dunkle Zeitalter
Vor mehr als 13 Milliarden Jahren, nicht lange nach dem Urknall, gab es im Universum keine Sterne. Es war nichts weiter als eine warme Suppe aus neutralem Gas, das fast ausschließlich aus Wasserstoff und Helium bestand. Im Laufe von Hunderten von Millionen Jahren begann sich dieses neutrale Gas jedoch zu immer dichteren Materiebällen aufzutürmen. Diese Periode ist als kosmisches Dunkelzeitalter bekannt.
Im heutigen Universum kollabieren dichte Materieknäuel schnell und bilden Sterne. Das liegt daran, dass das moderne Universum etwas hat, was dem frühen Universum fehlte: eine Menge Elemente, die schwerer sind als Wasserstoff und Helium. Diese Elemente sind sehr effizient bei der Abstrahlung von Energie. Dadurch können die dichten Klumpen sehr schnell schrumpfen und auf eine Dichte zusammenfallen, die hoch genug ist, um die Kernfusion auszulösen - den Prozess, der Sterne antreibt, indem er leichtere Elemente zu schwereren verbindet.
Aber der einzige Weg, um überhaupt schwerere Elemente zu erhalten, ist derselbe Kernfusionsprozess. Mehrere Generationen von Sternen, die sich bildeten, fusionierten und starben, reicherten den Kosmos zu seinem heutigen Zustand an.
Ohne die Fähigkeit, Wärme schnell freizusetzen, musste sich die erste Generation von Sternen unter ganz anderen und viel schwierigeren Bedingungen bilden.
Kaltfronten
Um das Rätsel dieser ersten Sterne zu verstehen, wandte sich ein Team von Astrophysikern ausgefeilten Computersimulationen des dunklen Zeitalters zu, um zu verstehen, was damals vor sich ging. Ihre Ergebnisse haben sie im Januar in einem Papier veröffentlicht, das in der Preprint-Datenbank arXiv veröffentlicht und zur Begutachtung bei den Monthly Notices of the Royal Astronomical Society eingereicht wurde.
Die neue Arbeit enthält alle üblichen kosmologischen Zutaten: dunkle Materie, die das Wachstum von Galaxien unterstützt, die Entwicklung und Verklumpung von neutralem Gas und Strahlung, die das Gas abkühlen und manchmal wieder aufheizen kann. Aber ihre Arbeit enthält auch etwas, das andere bisher vermisst haben: Kaltfronten – sich schnell bewegende Ströme von gekühlter Materie – die auf bereits gebildete Strukturen prallen.
Die Forscher fanden heraus, dass der ersten Sternentstehung ein komplexes Netz von Wechselwirkungen vorausging. Neutrales Gas begann sich zu sammeln und zu verklumpen. Wasserstoff und Helium setzten ein wenig Wärme frei, wodurch die Klumpen des neutralen Gases langsam höhere Dichten erreichten.
Aber Klumpen mit hoher Dichte wurden sehr warm und erzeugten Strahlung, die das neutrale Gas aufspaltete und es daran hinderte, in viele kleinere Klumpen zu zerfallen. Das bedeutet, dass Sterne, die aus diesen Klumpen entstehen, unglaublich groß werden können.
Supermassive Sterne
Diese Hin- und Her-Wechselwirkungen zwischen Strahlung und neutralem Gas führten zu massiven Ansammlungen von neutralem Gas– die Anfänge der ersten Galaxien. Das Gas tief im Inneren dieser Proto-Galaxien bildete schnell rotierende Akkretionsscheiben– schnell fließende Ringe aus Materie, die sich um massereiche Objekte bilden, einschließlich schwarzer Löcher im modernen Universum.
Währenddessen regneten an den äußeren Rändern der Proto-Galaxien kalte Gasfronten herab. Die kältesten und massivsten Fronten durchdrangen die Protogalaxien bis hin zur Akkretionsscheibe.
Diese Kaltfronten prallten auf die Scheiben, wodurch sowohl ihre Masse als auch ihre Dichte rasch bis zu einer kritischen Schwelle anstieg und die ersten Sterne entstehen konnten.
Diese ersten Sterne waren keine normalen Fusionsfabriken. Es handelte sich um gigantische Klumpen neutralen Gases, die ihre Fusionskerne auf einmal zündeten und das Stadium übersprangen, in dem sie in kleine Stücke zerfallen. Die daraus resultierende stellare Masse war enorm.
Diese ersten Sterne wären unglaublich hell gewesen und hätten eine extrem kurze Lebensdauer gehabt, weniger als eine Million Jahre. (Sterne im modernen Universum können Milliarden von Jahren leben). Danach wären sie in rasanten Supernova-Explosionen gestorben.
Diese Explosionen hätten die Produkte der internen Fusionsreaktionen - Elemente, die schwerer sind als Wasserstoff und Helium - mit sich geführt, die dann die nächste Runde der Sternentstehung eingeleitet hätten. Da der Prozess nun aber durch schwerere Elemente verunreinigt ist, kann er sich nicht wiederholen, und diese Monster werden nie wieder auf der kosmischen Bühne erscheinen.
