EINE GALAXIE FAST OHNE KOHLENSTOFF, 1 MILLIARDE JAHRE NACH DEM URKNALL

Direkt nach dem Urknall bestand gewöhnliche Materie fast nur aus Wasserstoff und Helium. Jedes schwerere Element – Kohlenstoff, Sauerstoff, Eisen – entstand später, im Inneren von Sternen, und wurde durch ihre Explosionen verstreut.

Das ist wichtig dafür, wie Sterne entstehen. Eine kollabierende Gaswolke heizt sich beim Schrumpfen auf, und sie muss diese Wärme loswerden, um in Sterne zu zerfallen. Im heutigen Universum übernehmen Kohlenstoff- und Sauerstoffionen den größten Teil der Kühlung, und Wolken zerfallen in Sterne aller Größen, viele davon kleiner als die Sonne. Ohne diese Elemente konnten die ersten Wolken nur über Wasserstoffmoleküle abkühlen. Sie zerfielen in große Brocken, und die Sterne, die daraus entstanden, waren überwiegend massereich.

Wie viel Kohlenstoff und Sauerstoff braucht es für den Übergang zur „normalen“ Sternentstehung? Sehr wenig: etwa 1/3.000 des Anteils der Sonne. Diese Schwelle wurde so schnell überschritten, dass jede bisher leuchtend gesehene ferne Galaxie, auch mit dem James-Webb-Weltraumteleskop, bereits deutlich darüber liegt, wenn sie hell genug ist, um gesehen zu werden.

Eine Wolke im Licht eines Quasars lesen

Es gibt einen anderen Weg, ursprüngliches Gas zu finden: es das Licht von etwas Hellerem dahinter absorbieren lassen. Sarah Bosman von der Universität Heidelberg, Frederick Davies vom Max-Planck-Institut für Astronomie und 23 Kollegen durchmustern die 30 hellsten Quasare bei einer Rotverschiebung zwischen 4,5 und 5,5 mit GHOST, einem 2024 am Gemini-South-Teleskop in Chile installierten Spektrografen, den sie als den empfindlichsten hochauflösenden Spektrografen beschreiben, der je gebaut wurde.

Das Licht des Quasars J1941−4500 durchquert eine dichte Wolke aus neutralem Wasserstoff – einen „gedämpften Lyman-Alpha-Absorber“ (damped Lyman-alpha absorber), die Art von Gasreservoir, die vermutlich innerhalb weniger Kiloparsec von den Sternentstehungsgebieten einer Galaxie liegt. Jedes Element in der Wolke absorbiert Licht bei seinen eigenen Wellenlängen. Nach 5,8 Stunden Belichtung konnte das Team Silizium, Sauerstoff und Kohlenstoff messen; Eisen wurde überhaupt nicht nachgewiesen.

Die bislang ursprünglichste Wolke

Die Wolke mit dem Namen UMP-DLA-1 liegt bei einer Rotverschiebung von 5,14, etwa 1,1 Milliarden Jahre nach dem Urknall. Ihre Zahlen:

• Kohlenstoff: 11.000-mal weniger als in der Sonne, bezogen auf Wasserstoff (etwa 16.000-mal weniger mit dem neuesten solaren Referenzwert).
• Sauerstoff und Silizium: etwa 5.000-mal weniger als in der Sonne.
• Damit ist sie mehr als dreimal ärmer an Sauerstoff und Silizium und viermal ärmer an Kohlenstoff als jede zuvor bekannte Wolke dieser Art. Sie ist auch die eisenärmste.
• Der gesamte Massenanteil der Elemente, die schwerer als Helium sind: 3,16 Millionstel.

Die Autoren fassen Kohlenstoff und Sauerstoff zu einer einzigen Zahl zusammen, dem „Übergangsdiskriminanten“ (transition discriminant), der vorhersagt, ob eine Wolke ausreichend abkühlen kann:

D_trans = log₁₀ (10^[C/H] + 0,3 × 10^[O/H])

Unterhalb von −3,5 kann eine Wolke nicht zu Sternen kollabieren, die kleiner als etwa eine Sonnenmasse sind. UMP-DLA-1 liegt bei −3,85. Sie ist das erste je gefundene Gasreservoir unterhalb dieser Linie – ihr geringer Metallgehalt allein garantiert also, dass ihre Sterne überwiegend schwer waren.

Eine späte Tasche des frühen Universums

Das bedeutet, dass Sternentstehung in nahezu unberührtem Gas, mit überwiegend massereichen Sternen, noch lange nach dem Erscheinen der ersten Sterne möglich war – und sogar nach dem Ende der Epoche der Reionisierung.

Die Chemie der Wolke ist auch eine Probe dessen, was diese massereichen, metallarmen Sterne bei ihrer Explosion hinterließen: etwas weniger Kohlenstoff als Sauerstoff, und Sauerstoff und Silizium in ihren solaren Verhältnissen. Für sich genommen kann dieses Muster nicht sagen, ob die Sterne wirklich die erste Generation oder eine frühe zweite waren. Aber es passt zu Wolken aus späteren Zeiten, die frühere Arbeiten auf nur 1 bis 30 Supernovae von Sternen der ersten Generation zurückgeführt haben. Die Autoren meinen, dass die Jagd nach Spuren der ersten Sterne in übrig gebliebenen Taschen ursprünglichen Gases bei Rotverschiebungen unter 7 ergiebiger sein könnte, als viel weiter zurückzublicken, jenseits einer Rotverschiebung von 20.

Einige sehr alte, sehr arme Sterne in kleinen Zwerggalaxien nahe der Milchstraße teilen dieselbe chemische Signatur. Die Autoren halten es für „durchaus möglich“, dass sie die letzten Überlebenden unter den kleinen Sternen sind, die in Galaxien wie dieser geboren wurden.

Glück oder häufig?

Eine solche Wolke unter nur 30 Quasaren zu finden, ist überraschend. Sofern die Durchmusterung nicht außergewöhnliches Glück hatte, schreiben die Autoren, könnten sich weitere solche Wolken in vorhandenen Spektren verbergen, begraben in der dichten Wasserstoffabsorption des frühen Universums. Künftige Riesenteleskope wie das Extremely Large Telescope, gerichtet auf die lichtschwachen Quasare, die die Mission Euclid entdecken wird, sollten eine vollständige Bestandsaufnahme liefern. Vorerst ist UMP-DLA-1 ein einzelnes Objekt, gemessen unter der Annahme, dass sich sein Gas als ein Block bewegt – eine Annahme, die die Autoren mit dem Fehlen gesättigter Absorptionslinien stützen.