Eisen und Magnesium bei einem Quasar: eine mögliche Spur einer primordialen Supernova

Eine Sternexplosion im frühen Universum könnte eine chemische Spur rund um einen weit entfernten Quasar hinterlassen haben. Der Hinweis ist kein Bild des Sterns oder seiner Explosion, sondern ein Verhältnis zwischen zwei Elementen, das im Licht des Gases um den Quasar ULAS J1342+0928 gemessen wurde. In einem am 28. September 2022 veröffentlichten allgemeinverständlichen Beitrag erläuterte das NOIRLab, warum diese Zusammensetzung Anlass zu der Vermutung gab, es könnte sich um eine Paarinstabilitäts-Supernova handeln – eine Explosionsart, die mit sehr massereichen Sternen der ersten kosmischen Generation verbunden ist.

Die Deutung verknüpft eine spektroskopische Beobachtung mit Modellen dazu, wie Sterne sterben und Elemente erzeugen. Der Bericht des NOIRLab stellt sie jedoch selbst als Möglichkeit dar, die durch weitere Beobachtungen überprüft werden muss.

Ein Quasar aus dem frühen Universum

Ein Quasar ist ein sehr weit entferntes Objekt, dessen Umgebung sich anhand des bei uns ankommenden Lichts untersuchen lässt. Das analysierte Objekt ULAS J1342+0928 gehört zu den ältesten und am weitesten entfernten bekannten Quasaren. Dem NOIRLab zufolge wurde das von uns beobachtete Licht vor etwa 13,1 Milliarden Jahren ausgesandt, weniger als 690 Millionen Jahre nach dem Urknall.

In diesem Zusammenhang ist die Suche nach Hinweisen auf die ersten Sterne eine Möglichkeit, die Entstehung chemischer Elemente zu erforschen. Astronomen bezeichnen Sterne dieser ersten Generation als Sterne der Population III. Der Quelle zufolge unterscheidet die Bezeichnung Sternpopulationen, die rückwärts in der Zeit geordnet sind: Population III steht für die ältesten Sterne.

Die Analyse stützte sich auf ein Spektrum, das mit dem Gemini-North-Teleskop auf Hawaii und dessen Infrarotspektrografen GNIRS aufgenommen wurde. Ein Spektrum zerlegt Licht in seine einzelnen Wellenlängen. Anhand bestimmter Merkmale dieser Wellenlängen lässt sich erkennen, welche Elemente im untersuchten Material vorhanden sind. Die Menge der einzelnen Elemente abzuschätzen ist komplexer: Die Helligkeit eines Signals hängt auch von anderen Faktoren ab, nicht nur von der Häufigkeit des Elements, das es erzeugt.

Der chemische Hinweis: Eisen und Magnesium

Zur Deutung der Signale wandte das Team eine Methode an, die Yuzuru Yoshii und Hiroaki Sameshima 2017 entwickelt hatten, um die Helligkeit spektraler Merkmale in Schätzungen der Häufigkeiten umzuwandeln. Bei der Anwendung auf das Spektrum des Quasars ergab sich ein Eisen-Magnesium-Verhältnis, das etwa zehnmal höher als das Verhältnis der Sonne war. Anders ausgedrückt: Die relative Menge an Magnesium im Vergleich zu Eisen war ungewöhnlich niedrig.

Der Vergleich ist wichtig, weil theoretische Modelle einer Paarinstabilitäts-Supernova laut der vom NOIRLab verbreiteten Erklärung ein niedriges Magnesium-Eisen-Verhältnis vorhersagen. Die Zusammensetzung des Gases um den Quasar war daher ein Hinweis: Es könnte Material enthalten, das durch eine solche Explosion angereichert wurde.

Die Vermutung stützte sich nicht allein auf das chemische Verhältnis. Der Quasar entstand sehr früh in der Geschichte des Universums, als weniger Zeit für die Durchmischung von Material aus verschiedenen Explosionen zur Verfügung gestanden hätte. Die Kombination aus diesem hohen Alter und dem chemischen Signal führte zu der Annahme, dass das umgebende Gas Überreste der Explosion eines Sterns der Population III enthalten könnte.

Was eine Paarinstabilitäts-Supernova bedeutet

Dem NOIRLab zufolge könnte dieser Supernova-Typ das natürliche Ende von Sternen mit einer Masse zwischen dem 150- und 300-Fachen der Sonnenmasse sein. Der beschriebene Vorgang beginnt im Sternkern: Photonen wandeln sich in Paare aus Elektronen und Positronen um, Teilchen aus Materie und Antimaterie. Dadurch verringert sich die Energie, die den Stern gegen seine eigene Schwerkraft stützt. Die Schwerkraft kann dann die Oberhand gewinnen, den Kollaps auslösen und die Explosion in Gang setzen.

Das Team verglich das Signal des Quasars mit Modellen dieser Explosionen. Yoshii zufolge ergab eine Supernova eines Sterns mit etwa 300 Sonnenmassen ein Magnesium-Eisen-Verhältnis, das mit dem für den Quasar abgeleiteten niedrigen Wert übereinstimmte. Diese Übereinstimmung stützte die Deutung, identifizierte aber für sich genommen keine direkt beobachtete Explosion: Der beschriebene Beleg ist die Zusammensetzung des Materials um den Quasar.

Die Hypothese hängt auch mit einer umfassenderen Frage zusammen: Wie entstanden die Elemente, die heute in Sternen und anderen kosmischen Objekten vorkommen? Wenn die Explosion eines frühen Sterns das nahegelegene Gas angereichert hat, könnte dessen Zusammensetzung Informationen über eine sehr frühe Phase der Sternentwicklung bewahren. In diesem Fall wird diese Möglichkeit aus den Elementhäufigkeiten und dem hohen Alter des Quasars abgeleitet.

Eine Deutung, die noch überprüft werden muss

Yoshii und seine Mitarbeiter prüften andere Erklärungen und kamen zu dem Schluss, dass eine Paarinstabilitäts-Supernova eines Sterns der Population III die wahrscheinlichste Deutung war. Der Text des NOIRLab stellt diese Lesart jedoch nicht als endgültige Bestätigung dar: Die Autoren erklärten, dass noch viele weitere vergleichbare Beobachtungen nötig seien, um das Ergebnis sicher zu überprüfen.

Vorsicht ist auch deshalb wichtig, weil der Hinweis auf diese Weise gewonnen wird. Die Häufigkeiten werden anhand der Helligkeit spektraler Merkmale geschätzt, und diese Helligkeit hängt von mehr ab als nur von der Menge der einzelnen Elemente. Die Argumentation führt somit von einem Signal im Licht zu einem chemischen Verhältnis und anschließend zu einem Vergleich mit Modellen von Sternexplosionen. Jeder Schritt stützt eine Deutung, nicht die direkte Beobachtung des Sterns, der explodiert sein soll.

Das vom NOIRLab hervorgehobene Ergebnis ist daher eine mögliche chemische Spur einer primordialen Supernova in der Umgebung von ULAS J1342+0928. Seine Bedeutung liegt darin, dass es einen Weg bietet, in sehr alten Objekten nach Überresten von Sternen der ersten Generation zu suchen. Die Bestätigung hängt laut den von der Quelle zitierten Forschern davon ab, weitere vergleichbare Beobachtungen zu erhalten.

Informationsquelle: NOIRLab, „A glimpse of the first stars that lit up the Universe?“, 28. September 2022.