Simulation gibt detaillierten Blick auf Entstehung der ersten Sterne Doppelsterne gab es schon im frühen Kosmos - scinexx | Das Wissensmagazin
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Simulation gibt detaillierten Blick auf Entstehung der ersten Sterne

Doppelsterne gab es schon im frühen Kosmos

Simulation der Bildung von zwei Materieklumpen im frühen Universum, rund 200 Millionen Jahre nach dem Urknall. Die beiden Zentren könnten sich zu einem Doppelsternsystem entiwckeln. © Ralf Kaehler, Matthew Turk, Tom Abel

Die ersten Sterne des Universums bildeten sich nicht nur als Einzelobjekte, auch Doppelsterne entstanden damals bereits. Das zeigt eine Simulation des frühen Kosmos, deren Ergebnisse jetzt in „Science Express“ veröffentlicht wurden. Sie gibt den bisher detailliertesten Einblick in die „Kinderstube“ des Weltalls.

Die ersten Sterne bildeten schon wenige hundert Millionen Jahre nach dem Urknall. Bisher allerdings dachte man, dass es sich bei diesen „Pionieren“ nur um Einzelsterne handelte. Doch Astrophysiker des amerikanischen SLAC National Accelerator Laboratory und der Universität von Michigan haben nun mithilfe einer Simulation dieser Ära ein neues – und deutlich anderes – Bild des Geschehens in der „kosmischen Kinderstube“ gewonnen.

„Wir dachten bisher, dass sich diese Sterne alleine bildeten, aber jetzt sehen wir in unseren Computersimulationen, dass sie manchmal Geschwister haben“, erklärt Matthew Turk, Astrophysiker am Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology des SLAC National Accelerator Laboratory der USA. „Diese Sterne liefern die Saat für die Sternenbildung der nächsten Generation. Wenn wir sie verstehen, verstehen wir auch besser, wie sich andere Sterne und Galaxien bildeten.“

Virtuelles Universum im Computer

Die Wissenschaftler entwickelten eine extrem detaillierte Computersimulation der frühen Sternenbildung. Dabei konzentrierten sie sich auf die Entstehung der ersten Population III-Sterne: massereiche, heiße Sterne, die sich nur wenige hundert Millionen Jahre nach dem Urknall gebildet haben. In ihrem virtuellen Universum verteilten die Forscher zunächst urzeitliches Gas und dunkle Materie nach dem Muster, wie es damals vermutlich vorlag. Diese Verteilung kann heute noch aus winzigen Variationen der Mikrowellen- Hintergrundstrahlung des Kosmos rekonstruiert werden.

Dann starteten sie die Berechnung des Geschehens. Die fünf datenintensiven Simulationen deckten 4,2 Billiarden Kubikkilometer des Universums ab – 64 Prozessoren brauchten drei Wochen für die Berechnung.

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Überraschendes Auftauchen von Doppelsternen

Doch das Warten hatte gelohnt: Die Forscher konnte zuschauen, wie sich in ihren virtuellen Universum die Wolken von Gas und dunkler Materie durch das heiße, dichte Universum bewegten. Als dieses weiter abkühlte, begann die Schwerkraft die Materie zu Klumpen zusammenzuballen. In diesen materiereichen Bereichen begannen sich Sterne zu bilden.

„Wir haben fünf dieser Berechnungen laufen lassen, angefangen mit der Entstehung des Universums. Und zu unserer Überraschung war eine von ihnen besonders“, erklärt der Astrophysiker Tom Abel. In dieser einen Simulation entstand aus einer Wolke aus Staub und dunkler Materie ein Doppelstern: einer davon mit rund zehn Sonnenmassen, der andere mit der 6,3fachen Masse der Sonne. Beide wuchsen bis zum Ende der Simulation stetig an und hörten vermutlich auch im nicht erfassten Zeitraum danach nicht damit auf.

Neuer Blick auf frühe Strukturbildung

„Das eröffnet ganz neue Möglichkeiten“, so Abel. „Diese Sterne könnten sich zu zwei Schwarzen Löchern entwickeln, deren Gravitationswellen wir zukünftig mithilfe von Instrumenten wie dem Laser Interferometer Gravitationswellenobservatorium detektieren könnten. Oder aber einer der Sterne wird zu einem Schwarzen Loch, das Gammastrahlenausbrüche erzeugt. Diese könnten wir wiederum mithilfe des Fermi Gammastrahlen-Teleskops nachweisen.“

„In jedem Falle hilft uns diese Simulation, unsere Modelle der Strukturbildung und –entwicklung im Universum zu verbessern“, ergänzt Turk. „Wenn wir die frühen Sterne verstehen, hilft uns das auch beim Verständnis dessen, was wir heute sehen. Es trägt sogar dazu bei zu erklären, warum und wann einige der Atome auf der Erde und in unserem Körper ursprünglich entstanden.“

(SLAC National Accelerator Laboratory, 14.07.2009 – NPO)

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