Blog

Eine Illustration zeigt ein Schwarzes Loch, das einen massereichen Stern in einer Gezeitenzerstörung zerreißt (Bildnachweis: Ralf Crawford (STScI))Das geplante Nancy Grace Roman Telescope der NASA könnte den grausamen Tod von Sternen, die von schwarzen Löchern zerrissen wurden, nutzen, um die erste Population von Sternkörpern im Universum zu finden.

Diese frühen Sterne, die (etwas verwirrend) als Populations-III-Sterne (Pop III) bezeichnet werden, unterschieden sich stark von der Sonne und anderen Sternen, die wir heute im Kosmos sehen. Das liegt daran, dass das Universum noch nicht mit „Metallen“ gefüllt war, dem Begriff, den Astronomen verwenden, um Elemente zu beschreiben, die schwerer als Wasserstoff und Helium sind.

Pop III-Sterne entstanden nur wenige hundert Millionen Jahre nach dem Urknall und waren „metallarm“, bestanden also hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium. Man nimmt außerdem an, dass sie viel größer und heißer als die Sonne waren. Das bedeutet, dass Pop III-Sterne ihren Brennstoff für die Kernfusion schneller verbraucht haben als kleinere Sterne, und diese kurze Lebensdauer macht sie zu schwer fassbaren Zielen für Astronomen.

Da diese frühesten Sterne für das Schmieden von Metallen verantwortlich sind, die zu den Bausteinen der nächsten Generation von weniger metallarmen Sternen werden, ist ihr Studium der Schlüssel zum Verständnis der kosmischen Evolution. Neue Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass das Nancy Grace Roman Telescope (kurz Roman), das im Jahr 2027 in Betrieb genommen werden soll, auf einzigartige Weise dazu beitragen könnte.

Anstatt nach intakten Pop-III-Sternen zu suchen, wird Roman nach deren Überresten suchen, nachdem sie zu nahe an Schwarze Löcher herangerückt sind und durch Ereignisse zerstört wurden, die Astronomen als Gezeitenstörungen bezeichnen.

„Da wir wissen, dass Schwarze Löcher in diesen frühen Epochen wahrscheinlich existieren, bietet uns die Beobachtung der ersten Sterne, die sie verschlingen, die beste Möglichkeit, Pop-III-Sterne indirekt zu entdecken“, sagte Priyamvada Natarajan, Mitglied des Studienteams und Wissenschaftler an der Yale University, in einer Erklärung.

Erhalten Sie den kosmischeweiten.de Newsletter

Brennende Weltraumnachrichten, die neuesten Updates zu Raketenstarts, Himmelsbeobachtungen und mehr!

Durch die Übermittlung Ihrer Daten erklären Sie sich mit den Allgemeinen Geschäftsbedingungen und der Datenschutzrichtlinie einverstanden und sind mindestens 16 Jahre alt.

Roman wird die Zerstörung der ersten Sterne beobachten

Wenn sich ein Stern einem Schwarzen Loch nähert, erzeugt der enorme Gravitationseinfluss, dem er ausgesetzt ist, immense Gezeitenkräfte in ihm. Dies führt dazu, dass der Stern horizontal zusammengedrückt und vertikal gestreckt wird. Die Materie, aus der der Stern besteht, wird in einem Prozess, der „Spaghettifizierung“ genannt wird, in eine „Nudel“ aus Sternmaterial verwandelt. Die Materie, aus der der untergegangene Stern einst bestand, kann jedoch nicht sofort in das Schwarze Loch fallen. Stattdessen sammelt sie sich in einer abgeflachten Wolke um das Schwarze Loch, die als Akkretionsscheibe bezeichnet wird. Während dieses Material spiralförmig um das Schwarze Loch herum und auf es zu wandert, erhitzt es sich und strahlt ein Leuchten aus, das in manchen Fällen über Milliarden von Lichtjahren hinweg zu sehen ist.

TDEs selbst sind transiente Ereignisse. Das bedeutet, dass es bei der Zerstörung des Sterns ein kurzes, aber intensives Aufflackern im Röntgen-, Radio-, Ultraviolett- und optischen Wellenlängenbereich des Lichts gibt. So sehen TDEs im lokalen Universum aus, wo es keine Pop-III-Sterne mehr gibt. Aber diese gewaltigen Ereignisse sehen ganz anders aus, wenn man sie über große Entfernungen von etwa 13 Milliarden Lichtjahren betrachtet.

Das liegt daran, dass sich die Wellenlänge des Lichts dieser Ereignisse durch die Expansion des Weltraums verlängert und in den infraroten Bereich des Spektrums verschoben wird – ein Phänomen, das als „Rotverschiebung“ bezeichnet wird.

Darüber hinaus ändert sich die vorübergehende Natur von TDEs, wenn ihr Licht durch den Kosmos wandert. Das liegt daran, dass die Rotverschiebung dazu führt, dass eine Pop-III-TDE im Laufe von Hunderten bis Tausenden von Tagen heller wird und dann über einen Zeitraum von bis zu einem Jahrzehnt verblasst. „Die Entwicklungszeitskalen von Pop-III-TDEs sind sehr lang, was ein Merkmal ist, das eine Pop-III-TDE von anderen Transienten unterscheiden könnte, einschließlich Supernovas und TDEs von Sternen der aktuellen Generation wie unserer Sonne“, sagte der Leiter des Studienteams, Rudrani Kar Chowdhury, ein Postdoktorand an der Universität von Hongkong.

Eine künstlerische Darstellung eines Schwarzen Lochs, das nach einer TDE Material von einem Stern verschlingt. (Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech)

Da Roman ein 200-mal größeres Panorama-Sichtfeld des Kosmos bietet als das Hubble-Weltraumteleskop und den Himmel 1.000-mal schneller als dieses Ionenteleskop vermisst, sollte es das ideale Instrument sein, um diese frühen TDEs zu finden, so die Teammitglieder.

Das James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) der NASA verfügt zwar über die Leistung, die erforderlich wäre, um diese weit entfernten und frühen TDEs zu sehen, aber sein Sichtfeld ist auch viel kleiner als das von Roman. Das bedeutet, dass es als TDE-Jäger nicht so effektiv ist wie das künftige Weltraumteleskop. Besonders vielversprechend für die Suche nach zerstörten Pop-III-Sternen wird die High Latitude Wide Area Survey von Roman sein, die einen 2.000 Quadratgrad großen Blick auf den Himmel außerhalb der Milchstraßenebene bietet.

„Roman kann sehr tief gehen und dennoch einen sehr großen Bereich des Himmels abdecken“, sagte Teammitglied Jane Dai, Professorin für Astrophysik an der Universität von Hongkong. „Das ist genau das, was wir brauchen, um eine aussagekräftige Stichprobe dieser TDEs zu entdecken.“

Das bedeutet jedoch nicht, dass JWST keine Rolle bei der Suche nach TDEs mit Pop-III-Sternen spielen wird. Wenn Roman ein solches Ereignis entdeckt, kann er es mit dem leistungsstarken Infrarotblick von JWST heranzoomen und mit seinen spektroskopischen Instrumenten das Vorhandensein von Metallen bestimmen. So lässt sich feststellen, ob die TDE tatsächlich mit der Zerstörung eines Pop-III-Sterns einhergeht.

„Da diese Sterne nur aus Wasserstoff und Helium bestehen, werden wir keine Metalllinien im Spektrum der Objekte sehen, während wir in den Spektren von TDEs von normalen Sternen verschiedene Metalllinien sehen können“, sagte Kar Chowdhury.

Dieses Tag-Team aus Roman und JWST könnte daher die Geheimnisse der frühesten Sterne des Universums lüften und zeigen, wie sie die Entwicklung der nächsten Generationen von Sternen und der Galaxien, die sie beherbergen, beeinflusst haben.

Die Forschungsergebnisse wurden am 8. Mai in der Zeitschrift Astrophysical Journal Letters veröffentlicht.