Population III Sterne bewiesen?

Spätestens seit das James Webb Space Telescope Galaxien entdeckt hat, die bereits kurz nach dem Urknall deutlich größer waren, als sie (nach aktuellen Theorien) sein sollten, fragt man sich, wie so früh im jungen Universum bereits supermassive schwarze Löcher entstanden sein können.

Entstehung supermassiver schwarzer Löcher

Wie supermassive schwarze Löcher im allgemeinen entstehen könnten, das ist recht gut, zumindest plausibel, erklärt. Dementsprechend entstehen zunächst stellare schwarze Löcher, diese beginnen dann zu verschmelzen, saugen Gas in sich auf und verschmelzen mit weiteren schwarzen Löchern, ggf auch mit größeren, selbst aus Verschmelzungen entstandenen schwarzen Löchern, und das immer so weiter, bis ein supermassives schwarzes Loch entstanden ist.

Das dauert in der Regel aber viele hundert Millionen, teils Milliarden, von Jahren, viel zu lange um die großen Galaxien (inklusive supermassiver schwarzer Löcher) zu erklären, welche man mit dem JWST entdeckt hat. Und davon wurden mittlerweile so viele entdeckt, dass man nicht mehr von einem Fehler bzw einer Fehlinterpretation ausgehen kann, wie es anfangs teils vermutet wurde.

Selbst bei älteren Galaxien ist man sich aber noch nicht wirklich sicher, wie es zu den Anfängen kam, also wie die schwarzen Löcher überhaupt so groß werden können, dass sie immer mehr Gas, Sterne und andere, stellare schwarze Löcher in sich aufnehmen und zu einem supermassiven schwarzen Loch heranwachsen können. Je älter eine Galaxie, desto eher passt aber natürlich die Theorie mit den verschmelzenden schwarzen Löchern, aber es müsste wie gesagt ein sehr langwieriger Prozess sein.

Das Problem bei den, vom JWST entdeckten, supermassiven schwarzen Löchern

Mit Hilfe des JWST konnte man mittlerweile mehrere größere Galaxien mit aktivem galaktischen Kern (ein supermassives schwarzes Loch, welches aktiv Materie akkretiert) identifizieren. Auf diese supermassiven schwarzen Löcher kann man obige Theorie allerdings nicht anwenden, sie sind dafür viel zu jung. Wie diese also entstehen konnten, dazu gab es bisher zwar zwar einige Hypothesen, aber keine, die man wirklich mit Daten untermauern könnte.

Population III Sterne als Samen supermassiver schwarzer Löcher?

Eine dieser Hypothesen ist, dass sogenannte Population III Sterne, also die ersten, extrem großen Sterne, die man bisher noch nie beobachten konnte, nach ihrem Ableben zu entsprechend großen schwarzen Löchern wurden, welche dann die Grundlage für diese jungen, supermassiven schwarzen Löcher bildeten. Das dauerte auch nicht sonderlich lange, denn sie waren, wie gesagt, sehr groß, und je größer ein Stern, desto kürzer sein „Leben“. In diesem Fall wären das nur ca 250.000 Jahre, also quasi nichts im Vergleich zu selbst den größten je tatsächlich beobachteten Sternen. So könnten sich in sehr kurzer Zeit viele große schwarze Löcher gebildet haben, welche dann zu supermassiven schwarzen Löchern verschmolzen.

Gab es wirklich Population III Sterne?

Und genau hier scheint man nun einen wichtigen Schritt weiter zu sein, denn ein Team von Wissenschaftlern um Devesh Nandal von der Universität von Virginia und dem „Institute for Theory and Computation (ITC) am Harvard & Smithsonian Center for Astrophysics (CfA)“ hat eine dieser jungen Galaxien mit aktivem galaktischen Kern, GS 3073, genauer untersucht und dabei ein sehr hohes N/O (Stickstoff zu Sauerstoff) Verhältnis von ungefähr 0,46 gemessen. Ein derart hohes N/O Verhältnis kann durch bekannte Sternentypen oder Supernovae jedoch nicht erklärt werden.

Nun hat man anhand von theoretischen Modellierungen allerdings herausgefunden, dass Sterne mit 1.000-10.000 Sonnenmassen (was ca der vermuteten Größe von Population III Sternen entspricht) eben genau diese, hier beobachtete, chemische Signatur besitzen müssten. Bei solch großen Sternen kommt es am Ende ihres Lebens aber nicht zu einer Supernova, dafür sind sie zu groß, stattdessen kollabieren sie direkt zu einem schwarzen Loch entsprechender Größe.

Warum konnte man noch keine Population II Sterne beobachten, wenn sie doch so riesig waren?

Das ist leicht zu erklären, natürlich könnte man denken, dass solch riesige Sterne, die zudem noch unglaublich hell gewesen wären, auch leicht zu beobachten sein müssten. Jedoch existierten diese Population III Sterne (laut Theorie) ja nur ganz am Anfang des Universums, und das zudem nur extrem kurz, um die 250.000 Jahre, was im kosmischen Maßstab gar nichts ist.

Um solche Sterne beobachten zu können, müssten gewisse Trockennasenaffen (a.k.a. Menschen) zufällig genau zu der Zeit, wenn das Licht von so einem kurzlebigen Stern hier ankommt, die Fähigkeit entwickelt haben, überhaupt solche weit entfernten Objekte beobachten zu können (JWST) und dann auch noch genau den richtigen, winzigen Abschnitt des Universums ins Visier nehmen. Es ist also extrem unwahrscheinlich, dass wir Population III Sterne je direkt beobachten werden, da müssten wir wirklich schon extremes Glück haben (und mehr).

Zudem könnte selbst das JWST einzelne Sterne in dieser Entfernung nicht direkt auflösen und ihre Spuren würden schnell durch spätere Sterne und Galaxien „überdeckt“, selbst wenn wir also dieses große Glück hätten, zu genau dem richtigen Zeitpunkt genau den richtigen Bereich zu beobachten, so bräuchten wir da wohl ein Teleskop, das noch einmal um ein vielfaches empfindlicher ist als das JWST.

Daher sucht man bei dem Versuch, Population III Sterne nachzuweisen, eher nach außergewöhnlichen chemischen Signaturen (wie in diesem Fall) oder anderen indirekten Effekten, die man nur durch diese Sterne erklären könnte.

Fazit

Das ist der erste echte Hinweis, dass Population III Sterne tatsächlich existierten – und sie könnten zudem die Samen supermassiver schwarzer Löcher geliefert haben. Es könnte das frühe Auftreten von AGN / Quasaren erklären, sind aber bisher nur eine Folgerung aus den beobachteten chemischen Verhältnissen in einer sehr frühen Galaxie. Man wird also definitiv noch weitere Beobachtungen anstellen müssen, bevor man sagen kann, dass man einen Beweis für Population III Sterne gefunden hat.

Sollte das aber letztlich der Fall sein, so wird das möglicherweise die aktuell als recht wahrscheinlich angesehene „DCBH“ Theorie (direkter Kollaps riesiger, metallarmer Gaswolken zu schwarzen Löchern, ohne das zunächst Sterne entstehen) zur Entstehung supermassiver schwarzer Löcher ablösen.

Grundsätzlich wäre es aber natürlich durchaus auch möglich, dass mehrere dieser Theorien richtig sind, und supermassive schwarze Löcher nicht nur auf eine Weise entstanden / entstehen. Die ganz frühen könnten aus Population III Sternen oder durch DCBH entstanden sein, während kleinere oder alte (sehr) langsam aus der Verschmelzung stellarer schwarzer Löcher und Gasakkretion entstanden.