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Eine Hubble-Aufnahme des Sternentstehungsgebiets 30 Doradus, des Tarantelnebels, innerhalb der Großen Magellanschen Wolke, vollgepackt mit jungen hellen blauen Sternen (Bildnachweis: NASA, ESA, STScI, Francesco Paresce (INAF-IASF Bologna), Robert O’Connell (UVA), SOC-WFC3, ESO)

Im Dezember 2023 hat das Hubble-Weltraumteleskop sein größtes Programm seit seinem Start im Jahr 1990 abgeschlossen. Mit diesem Programm hat das Teleskop drei Jahre lang 500 einzelne Sterne beobachtet – und die Wissenschaftler sind nun bereit, in dieses kosmische Osterei von Daten einzutauchen.

Die umfassende Durchmusterung mit dem Hubble-Teleskop nennt sich ULLYSES (Ultraviolet Legacy Library of Young Stars as Essential Standards); Hubble wurde von den ULLYSES-Betreibern als einziges aktives Teleskop angesehen, das in der Lage ist, ein solch bahnbrechendes Unterfangen zu bewältigen.

Diese Ultraviolettlicht-Beobachtungen werden jedoch weit über die Osterfeiertage hinausgehen und die Forscher noch jahrzehntelang beschäftigen, da sie neue Erkenntnisse über die Sternentstehung, die Sternentwicklung und die Auswirkungen von Sternen auf ihre Umgebung liefern.

„Ich glaube, dass das ULLYSES-Projekt transformativ sein wird und sich auf die gesamte Astrophysik auswirken wird, von Exoplaneten über die Auswirkungen massereicher Sterne auf die Galaxienentwicklung bis hin zum Verständnis der frühesten Stadien des sich entwickelnden Universums“, sagte Julia Roman-Duval, Leiterin des ULLYSES-Implementierungsteams am Space Telescope Science Institute (STScI) in Baltimore, Maryland, in einer Erklärung. „Abgesehen von den spezifischen Zielen des Programms können die stellaren Daten auch in Bereichen der Astrophysik auf eine Weise genutzt werden, die wir uns noch nicht vorstellen können.“

Das ULLYSES-Team untersuchte mit Hubble zunächst 220 Sterne und griff dann auf das Archiv des Weltraumteleskops zurück, um Beobachtungen von weiteren 275 Sternen zu erhalten. Die Forscher bezogen auch Daten über Sterne von einer Vielzahl anderer Weltraumteleskope und bodengestützter Observatorien ein.

Der vollständige ULLYSES-Datensatz besteht aus Sternspektren, die Informationen über die Temperatur, die chemische Zusammensetzung und die Rotationsgeschwindigkeit jedes Sterns enthalten.

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Hubble und ULLYSES sehen rot (und blau)

Von besonderem Interesse für das ULLYSES-Team sind superheiße und massereiche blaue Sterne, die bis zu einer Million Mal heller als unsere Sonne sein können. Diese glühenden Sterne leuchten stark im ultravioletten Licht, so dass Hubble sie leicht erkennen kann.

Massive blaue Sterne leben schnell und sterben jung. Sie verbrennen schnell die Brennstoffe, die sie für ihre eigenen Kernfusionsprozesse benötigen, und schmieden „Metalle“, den Begriff, den Astronomen für Elemente verwenden, die schwerer sind als Wasserstoff und Helium. Wasserstoff und Helium sind die Elemente, aus denen Sterne zu Beginn ihres Lebens hauptsächlich bestehen.

Die Sternspektren massereicher blauer Sterne geben Aufschluss über die Geschwindigkeit der starken Sternwinde, die von ihnen ausgehen. Nach der Explosion massereicher Sterne in Supernovaexplosionen sind es diese Sternwinde, die die Elemente, die diese Sterne geschmiedet haben, zerstreuen. Das Verständnis dieser Winde wäre also ein wichtiger Schritt zum Verständnis der galaktischen Verteilung schwerer Elemente, die zu den Bausteinen der nächsten Generation von Sternen und Planeten werden. Diese Elemente könnten schließlich auch die Grundlage für Leben im Universum sein.

Beispiele für die kleinsten roten Zwergsterne, unsere Sonne, einen roten Riesen und blau-weiße Überriesensterne. (Bildnachweis: NASA, ESA und A. Feild (STScI))

Durch diesen Dispersionsprozess weist jede nachfolgende Sterngeneration eine höhere Konzentration an Metallen auf als die letzte. Die erste Generation von Sternen, die entstanden ist, als die meisten Atome im Universum aus Wasserstoff und ein wenig Helium bestanden, gilt als „metallarm“, während spätere Generationen von Sternen, einschließlich der Sonne, „metallreich“ sind.

ULLYSES und Hubble haben blaue Sterne in Galaxien in der Nähe der Milchstraße aufgespürt, die anscheinend einen Mangel an Metallen aufweisen. Diese Sterne können daher als Stellvertreter für die frühesten Sterne dienen und den Wissenschaftlern helfen, Sterne zu untersuchen, die im jungen Universum existierten und nun jenseits des Bereichs liegen, in dem wir leicht tiefe Details erkennen können.

„Die ULLYSES-Beobachtungen sind ein Sprungbrett, um diese ersten Sterne und ihre Winde im Universum zu verstehen und wie sie die Entwicklung ihrer jungen Wirtsgalaxie beeinflussen“, sagte Roman-Duval.

Am anderen Ende des Farb- (und Größen-) Spektrums konzentrierte sich das ULLYSES-Projekt auch auf junge Sterne, die kühler, kleiner und röter als die Sonne sind. Diese Sterne befanden sich auch näher an unserem Zuhause, in aktiven Sternentstehungsgebieten der Milchstraße.

Während ihrer Entstehungsjahre, als sie Masse aus den sie umgebenden Gas- und Staubscheiben aufnahmen, verursachten diese jungen roten Sterne Turbulenzen in ihren Systemen, indem sie hochenergetisches ultraviolettes und Röntgenlicht ausstießen. Dies hätte sich auf die Planeten bildenden Scheiben um diese Sterne ausgewirkt und beeinflusst, ob die Planeten, die schließlich um diese Sterne geboren werden, jemals bewohnbar sein können.

Eine Illustration eines jungen Sterns, der kühler und röter als die Sonne ist. (Bildnachweis: NASA, ESA, STScI, Francesco Paresce (INAF-IASF Bologna), Robert O’Connell (UVA), SOC-WFC3, ESO)

Die für ULLYSES gesammelten Hubble-Beobachtungen könnten den Wissenschaftlern helfen, die Prozesse besser zu verstehen, durch die diese jungen Sterne Materie aus ihrer Umgebung akkumulieren, um die Masse anzuhäufen, die erforderlich ist, um die Kernfusion von Wasserstoff zu Helium auszulösen. Der Beginn dieses Prozesses würde den jungen Stern zu einem vollwertigen Stern machen.

Dies könnte auch Aufschluss darüber geben, welche Auswirkungen diese Sterne auf die sie umgebenden Scheiben haben, aus denen sich schließlich Planeten bilden. So könnte die Untersuchung der Studie den Wissenschaftlern helfen, besser zu verstehen, welche Systeme sich besser für die Suche nach Leben eignen.

„ULLYSES war ursprünglich als ein Beobachtungsprogramm konzipiert, das die empfindlichen Spektrographen von Hubble nutzt. Das Programm wurde jedoch durch von der Gemeinschaft koordinierte und ergänzende Beobachtungen mit anderen boden- und weltraumgestützten Observatorien enorm erweitert“, sagte Roman-Duval. „Eine solch breite Abdeckung ermöglicht es den Astronomen, das Leben der Sterne in noch nie dagewesenen Details zu untersuchen und ein umfassenderes Bild von den Eigenschaften dieser Sterne und ihren Auswirkungen auf ihre Umgebung zu zeichnen.“

Noch bevor die ULLYSES-Daten neue Erkenntnisse über das Leben der Sterne und ihre Umgebung liefern, zeigt diese Untersuchung, dass Hubble auch nach über drei Jahrzehnten kosmischer Beobachtungen immer noch bahnbrechende wissenschaftliche Ergebnisse liefert.