MEGATRON simuliert den Ursprung der ersten Sterne – und sucht ihre Spuren bis heute

Eine Galaxie zurück bis zu ihren Anfängen verfolgen

MEGATRON simuliert eine Region des Universums, aus der sich im Laufe der Zeit eine Galaxie von der Masse der Milchstraße entwickelt. Die Rechnung setzt bei chemisch ursprünglichem Gas an – also bei Materie, die noch keine schweren Elemente enthält – und verfolgt die Entstehung der ersten Sterne, der sogenannten Population III. Während kleinere Vorläufergalaxien wachsen, berechnet das Modell zugleich Gasbewegungen, chemische Veränderungen und Strahlung. Dadurch kann es sowohl das erwartete Licht früher Galaxien als auch chemische Spuren in später entstandenen Sternen untersuchen. 86

Was Strahlung, Chemie und Supernovae bewirken

Die Strahlung junger Sterne kann das Gas in ihrer Umgebung erhitzen und ionisieren. Moleküle aus dem frühen Universum sowie später erzeugte schwerere Elemente beeinflussen, wie das Gas abkühlt. Wenn Sterne ihr Leben beenden, können Supernovae neu entstandene Elemente in ihre Umgebung schleudern und so die nächste Generation von Sternen prägen.

Den Modellen zufolge ist das Gas in frühen Galaxien dichter und weniger mit schweren Elementen angereichert als in ähnlich massereichen Galaxien im heutigen nahen Universum. Auch stärkere Strahlungsfelder gehören zu diesem Bild – Bedingungen, die mit Deutungen von Beobachtungen des James-Webb-Weltraumteleskops (JWST) vereinbar sind. MEGATRON bildet eine Vielfalt von Spektren ferner Galaxien nach. Ein passendes Spektrum allein verrät jedoch nicht eindeutig, welcher Rückkopplungsprozess dafür verantwortlich war. 813

Ein mögliches Eisen-Plateau in Zwerggalaxien

Eine erste MEGATRON-Studie kommt zu dem Ergebnis, dass die Anreicherung durch die ersten Sterne bei den kleinsten Zwerggalaxien ein Plateau im durchschnittlichen Eisengehalt erzeugen könnte. Anders gesagt: Der Eisengehalt würde bei sinkender Galaxienmasse nicht immer weiter abnehmen. In der Astronomie meint „Metallizität“ den Anteil schwerer Elemente; Eisen ist dabei ein wichtiger Messwert.

Ein solches Muster könnte eine erhaltene Spur früher Supernovae sein. Es ist aber noch kein eindeutiger Nachweis dafür, welche Eigenschaften die ersten Sterne hatten oder wie ihre Explosionen genau abliefen. 7

JWST und alte Sterne: zwei Blicke auf dieselbe Geschichte

Das JWST kann sehr weit entfernte Galaxien beobachten, deren Licht aus einer frühen Phase des Universums stammt. MEGATRON kann berechnen, wie solche jungen Galaxien aussehen sollten. Eine zweite Vergleichsmöglichkeit bieten alte, metallarme Sterne in und um die Milchstraße: Ihre chemische Zusammensetzung kann Hinweise auf das Gas enthalten, aus dem sie entstanden sind.

Die beiden Ansätze ergänzen einander. Das JWST zeigt frühe Galaxien aus großer Entfernung; die alten Sterne bewahren mögliche chemische Überreste der damaligen Sternentstehung. 87

Was bereits vorliegt – und was höhere Auflösung bringen soll

Aus dem Projekt sind eine Simulationsreihe und erste Untersuchungen zu Spektren ferner Galaxien, Gas und Rückkopplung in frühen Galaxien, den Umgebungen der Population-III-Sterne sowie zur Eisenanreicherung in Zwerggalaxien hervorgegangen. 81367

Geplant sind Rechnungen mit höherer Auflösung. Sie sollen das Gas, aus dem die ersten Sterne entstehen, genauer erfassen. Damit ließen sich unterschiedliche Annahmen zu Masse und Strahlung der ersten Sterne sowie zu den Elementen, die ihre Supernovae freisetzen, besser prüfen – im Vergleich sowohl mit JWST-Spektren als auch mit den chemischen Häufigkeiten alter Sterne. Welche Modelle sich dabei durchsetzen, ist eine offene Frage; die Eigenschaften der ersten Sterne sind noch nicht abschließend geklärt. 81367