1 · Die Erde vor uns Wissenschaft und Technik

Die ersten Sterne

vor etwa 13,5 Milliarden Jahren Das junge Universum

Kurz gesagt

Nach den ersten paar hundert Millionen Jahren fielen riesige Wolken aus Wasserstoff und Helium durch die Schwerkraft in sich zusammen. In ihrem Inneren leuchteten die ersten Sterne auf, wahrscheinlich sehr massereich und nur kurzlebig. Sie erzeugten viele Elemente, die schwerer sind als Helium, und verstreuten sie.

Warum das wichtig ist Ohne die ersten Sterne wären die Elemente nicht entstanden, die Planeten und Lebewesen brauchen.

Quelle: NASA, „Early Universe“ (Webb Space Telescope)

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Bild: Die ersten Sterne (Das junge Universum) — Bild, mit KI für Storiascopio erstellt

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Die Geschichte

Dunkelheit nach dem Licht

Nach dem Urknall und dem Licht, das 380.000 Jahre später frei wurde, wurde das Universum dunkel. Es gab noch keinen einzigen Stern. Es gab nur riesige Wolken aus Wasserstoff und Helium, fast ohne Licht, die durch den Raum zogen. Die Astronomen nennen diese Zeit das „dunkle Zeitalter“, und nach den Schätzungen dauerte sie etwa 200 Millionen Jahre. Dann, auf eine Weise, die wir heute zu beobachten beginnen, ging das erste Licht wieder an.

Wie ein Stern entsteht

Ein Stern entsteht durch die Schwerkraft. In einer Gaswolke gibt es Stellen, die ein klein wenig dichter sind als der Rest. Diese Stellen ziehen etwas mehr Gas an, werden schwerer und ziehen noch mehr an, in einem Vorgang, der sich von selbst verstärkt. Die Wolke zieht sich zusammen und erhitzt sich. Wenn die Temperatur in der Mitte zehn Millionen Grad übersteigt, beginnen die Wasserstoffatome zu verschmelzen und Helium zu bilden. Diese Verschmelzung setzt eine riesige Menge Energie in Form von Licht und Wärme frei. Von da an ist der Stern angeschaltet, und sein Druck nach außen hält dem Gewicht das Gleichgewicht, das ihn sonst zusammenstürzen ließe.

Die ersten Sterne entstanden in Wolken, die fast nur aus Wasserstoff und Helium bestanden. Ohne schwerere Elemente kühlte das Gas schlechter ab, und deshalb vermuten die Wissenschaftler, dass die ersten Sterne viel größer waren als die Sonne: vielleicht Dutzende oder Hunderte Male massereicher. Man nennt sie Sterne der „Population III“. Niemand hat sie bisher direkt gesehen: Es sind Vermutungen, die aus Berechnungen und Computersimulationen stammen, und die Astronomen hoffen, ihr Licht mit dem Weltraumteleskop James Webb aufzufangen.

Ein kurzes, helles Leben

Die größten Sterne verbrauchen ihren Brennstoff schnell. Während die Sonne etwa zehn Milliarden Jahre lebt, kann ein riesiger Stern nur einige Millionen Jahre dauern. Am Ende hält der Kern nicht mehr stand und stürzt zusammen, und die äußeren Schichten werden in einer Explosion weggeschleudert, die Supernova heißt. Für kurze Zeit kann eine Supernova so hell leuchten wie eine ganze Galaxie.

Hier geschieht das Wichtigste dieser Geschichte. Im Inneren der Sterne und bei ihren Explosionen verschmelzen leichte Atome zu schwereren: Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Silizium, Eisen. Wenn ein Stern explodiert, werden diese Elemente im Raum verteilt. Der Astronom Carl Sagan sagte, wir seien aus „Sternenstaub“ gemacht, und er hatte recht: Das Kalzium in deinen Knochen, das Eisen in deinem Blut und der Sauerstoff, den du atmest, wurden in Sternen erzeugt, die lange vor der Geburt der Sonne gestorben sind.

Auch die schwersten Elemente haben einen Ursprung in Sternen, aber nicht immer in einer Supernova. 2017 haben die Instrumente, die Gravitationswellen nachweisen, und die Teleskope zum ersten Mal den Zusammenstoß zweier Neutronensterne beobachtet und gesehen, dass bei diesem Ereignis viel Gold entsteht. Die Wissenschaftler denken, dass ein Teil des Goldes und anderer Edelmetalle genau so entsteht.

Wann entstanden sie wirklich?

Wir wissen nicht genau, wann der erste Stern aufleuchtete, denn sein Licht ist sehr schwach und sehr weit weg. Die Schätzungen sprechen von einer Zeit zwischen 50 Millionen und etwa einer Milliarde Jahren nach dem Urknall; die am meisten benutzten Modelle deuten auf einen Zeitpunkt um 100 bis 200 Millionen Jahre. Die Astronomen nennen diese Phase die „kosmische Morgendämmerung“.

Das Webb-Teleskop, Ende 2021 gestartet, beobachtet infrarotes Licht, das von den riesigen Entfernungen am stärksten „gedehnt“ ankommt, und hat schon überraschend helle und alte Galaxien entdeckt, die etwa 300 Millionen Jahre nach dem Urknall entstanden sind. Je besser die Beobachtungen werden, desto mehr verändert sich das Bild: Deshalb ist das Datum auf dem Zeitstrahl ungefähr.

Die ersten Sterne hatten noch eine weitere Aufgabe: Ihr ultraviolettes Licht erwärmte und „ionisierte“ das Gas ringsum, es riss also den Atomen die Elektronen ab. So wurde das Universum, das ein für ultraviolettes Licht undurchsichtiger Nebel war, durchsichtig. Diese Zeit heißt „Reionisation“ und endete im Lauf der ersten etwa einen Milliarde Jahre.

Warum es geschah

Die ersten Sterne entstanden, weil die Schwerkraft auf jeden Dichteunterschied wirkt. Gleich nach dem Urknall war das Universum fast gleichmäßig, aber nicht ganz: Es gab Stellen, die etwas dichter waren, Spuren, die man in der kosmischen Hintergrundstrahlung sieht. Mit der Zeit machte die Schwerkraft sie immer ausgeprägter.

Die Astronomen denken, dass die Schwerkraft nicht allein wirkte: Offenbar gibt es auch Dunkle Materie, die wir nicht sehen, die sich aber durch ihr Gewicht bemerkbar macht. Die Simulationen zeigen, dass die Dunkle Materie als Erste ein Netz aus Klumpen und Fäden bildete, und das normale Gas fiel in diese Klumpen, wo es sich sammelte und zu Sternen entzündete.

Als sich das Gas genug gesammelt hatte und vom Fallen erhitzt war, setzte die Verschmelzung des Wasserstoffs ein. Es ist derselbe Vorgang, der heute die Sonne leuchten lässt.

Was sich veränderte

Mit den ersten Sternen endete das dunkle Zeitalter, und das Universum hatte wieder Licht. Aus den ersten Sterngruppen bildeten sich die ersten Galaxien, große Systeme, in denen Milliarden Sterne zusammen kreisen, von der Schwerkraft gehalten.

Die für uns wichtigste Folge ist chemisch. Die ersten Sterne reicherten das Gas beim Sterben mit schweren Elementen an. Die später entstandenen Sterne, darunter die Sonne, bildeten sich aus Gas, das schon von diesen Elementen „verunreinigt“ war, und um sie herum konnten Gesteinsplaneten entstehen. Ohne diesen Schritt hätte es die Erde, die Meere, die Luft und das Leben nicht gegeben. Wir können sagen, dass jedes Atom, aus dem wir bestehen und das nicht Wasserstoff oder Helium ist, durch einen Stern gegangen ist.

Heute erforschen die Astronomen die ersten Sterne, um zu verstehen, wann sich die Galaxien bildeten und wie schnell sich das Universum mit Elementen füllte. Das sind offene Fragen, und Webb hat schon gezeigt, dass das junge Universum reicher an Galaxien ist, als man dachte.

Wichtige Menschen und Orte

Menschen

Carl Sagan: Amerikanischer Astronom und Wissenschaftsvermittler (1934-1996). Er machte die Idee berühmt, dass wir aus „Sternenstaub“ bestehen.
Hans Bethe: Deutsch-amerikanischer Physiker (1906-2005). 1938-39 erklärte er, wie die Sterne ihre Energie aus der Verschmelzung von Wasserstoff gewinnen; Nobelpreis 1967.
Fred Hoyle: Englischer Astronom (1915-2001). Er zeigte mit anderen in den 1950er-Jahren, dass die schweren Elemente im Inneren der Sterne entstehen.

Orte

Die Gaswolken des jungen Universums: Die ersten Sterne entstanden in Wolken aus Wasserstoff und Helium, in der Dunkelheit des Universums vor mehr als 13 Milliarden Jahren.
Lagrange-Punkt L2: Eine Stelle im Raum, etwa 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt, an der das Webb-Teleskop seit 2022 arbeitet, um das Licht der ersten Galaxien zu suchen.

Gut zu wissen

Das Webb-Teleskop hat einen 6,5 Meter großen Spiegel aus 18 sechseckigen Segmenten, die mit Gold überzogen sind, um das infrarote Licht gut zu reflektieren.
Die Sonne ist ein Stern einer viel späteren Generation als die ersten: Sie enthält Spuren von Elementen, die in älteren Sternen entstanden sind.
Je größer ein Stern ist, desto kürzer lebt er: Ein Riese kann nur einige Millionen Jahre dauern, während kleine Sterne, die Roten Zwerge, nach theoretischen Schätzungen Tausende Milliarden Jahre leuchten können.
2017 wurde der Zusammenstoß zweier Neutronensterne, etwa 130 Millionen Lichtjahre von uns entfernt, sowohl mit Gravitationswellen als auch mit Licht beobachtet: Seitdem weiß man, dass dabei viel Gold entsteht.
Das Gas jener Zeit enthielt weder Sauerstoff noch Kohlenstoff: In dieser Welt hätte es weder Gesteinsplaneten noch Wasser gegeben.