Ein kosmischer Schlüssel direkt vor unserer Haustür
Die Antwort auf eine der größten Fragen der Astronomie – die nach den ersten Sternen – könnte viel näher liegen als gedacht. Ein internationales Team unter der Leitung des Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) hat in einer benachbarten Galaxie womöglich chemische Überreste der ersten Sterne des Universums entdeckt.
NGC 1277: Eine kosmische Zeitkapsel
Schauplatz der Entdeckung ist NGC 1277, eine bekannte „Reliktgalaxie“. Während normale Galaxien im Laufe ihrer Geschichte wachsen und sich durch Verschmelzungen mit anderen verändern, entstand dieses kompakte System sehr früh im jungen Universum und blieb seither eingefroren in der Zeit. Wie eine kosmische Zeitkapsel eignet sich diese Galaxie perfekt dafür, von der Erde aus genau jene Art von Urgalaxien zu entschlüsseln, die das James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) derzeit in den entlegensten Winkeln des Kosmos entdeckt.
Das größte Teleskop der Welt spürt Silizium auf
Mit dem Instrument EMIR am Gran Telescopio Canarias (GTC), dem größten optisch-infraroten Teleskop der Welt, das sich im Observatorium Roque de los Muchachos auf La Palma befindet, fingen die Wissenschaftler ein ungewöhnlich starkes chemisches Signal von Silizium in dieser Galaxie ein.
„Infrarotlicht ermöglicht es uns, chemische Elemente zu identifizieren, die mit anderen Beobachtungsmethoden nur sehr schwer zu untersuchen sind. In NGC 1277 haben wir eine weitaus größere Menge an Silizium gefunden, als bisher in jeder anderen Galaxie beobachtet wurde. Diese besondere Zusammensetzung deutet darauf hin, dass die Galaxie die Spur einiger der ersten Sterngenerationen bewahrt“, erklärt Elham Eftekhari, Hauptautorin der Studie, die diese Arbeit während ihrer Postdoktorandenzeit am IAC durchführte und jetzt am Observatorium in Leiden tätig ist.
Ein anomaler Chemie-Befund
Normalerweise sind Silizium und Magnesium chemische Elemente im Inneren massereicher Sterne, die bei deren Tod als Supernovas in ähnlichen Anteilen im Weltall verteilt werden. In dieser Galaxie jedoch ist der Siliziumgehalt im Vergleich zu Magnesium ungewöhnlich hoch. Diese Anomalie deutet darauf hin, dass das Gas aus extrem massereichen Sternen mit sehr wenigen schweren Elementen angereichert wurde – den sogenannten Sternen der Population III.
„Wir beobachten nicht direkt die ersten Sterne, die vor Milliarden von Jahren verglüht sind. Was wir sehen, ist der chemische Fingerabdruck, den sie in den nachfolgenden Generationen hinterlassen haben“, betont Alexandre Vazdekis, Koautor der Studie und Forscher am IAC.
Laboratorien des jungen Kosmos
Genau das macht diese Zeitkapseln, die Reliktgalaxien, zu so wirkungsvollen Laboratorien. Während das JWST in den entlegensten Weiten des Kosmos nach den Urgalaxien sucht, zeigt das GTC, dass man dieselbe kosmische Kindheit auch direkt vor der eigenen Haustür in hoher Auflösung studieren kann.
„NGC 1277 ist einzigartig, weil sie den Großteil ihrer Sterne in einer sehr frühen Phase gebildet hat und sich danach völlig passiv entwickelte. Während andere Galaxien ihre ursprünglichen chemischen Signaturen durch Vermischung mit anderen verwischt haben, gelang es NGC 1277, diesen Silizium-Überschuss intakt zu bewahren. Er fungiert wie ein fossiles Archiv der Kindheit des Universums“, fügt Anna Ferré-Mateu, Koautorin und Forscherin am IAC, hinzu.
Die Präzision des GTC
Das Aufspüren dieser winzigen chemischen Signale erfordert eine extreme Genauigkeit, die nur die leistungsstärksten erdgebundenen Teleskope bieten können. „Dieses Ergebnis wurde durch die hochwertigen Beobachtungen des 10,4 Meter großen GTC möglich. Die Daten im nahen Infrarot haben ein Fenster zur detaillierten chemischen Zusammensetzung eines der besten Beispiele einer massiven Reliktgalaxie geöffnet. Es wird zum Schlüssel für das Verständnis der ersten Schritte der Galaxienentstehung“, erklärt Michael Beasley, Forscher am IAC und Koautor der Studie.
Explosive Theorie und neue Perspektiven
Um den Silizium-Überschuss zu erklären, verweisen die Wissenschaftler auf sogenannte Paarinstabilitäts-Supernovas. Diese theoretischen Explosionen würden die massereichsten Sterne im jungen Universum vollständig zerstören. Obwohl diese Theorie am besten zu den Daten passt, räumt das Team ein, dass auch andere Anreicherungsprozesse, die mit extrem massereichen Sternen zusammenhängen, eine Rolle gespielt haben könnten. Die Entdeckung eröffnet einen neuen Weg, die ersten Sterngenerationen zu erforschen, ohne unser nahes Universum verlassen zu müssen. Sie liefert außerdem eine wertvolle Roadmap für das James-Webb-Teleskop, das nun in den fernsten Galaxien des Kosmos nach denselben chemischen Spuren suchen kann.
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