Das demnächst erscheinende Nancy Grace Roman Telescope der NASA könnte den grausigen Tod von Sternen, die von Schwarzen Löchern auseinandergerissen wurden, nutzen, um die erste Population von Sternkörpern im Universum zu jagen.
Diese frühen Sterne, die (etwas verwirrend) als Sterne der Population III (Pop III) bezeichnet werden, unterschieden sich stark von der Sonne und anderen Sternen, die heute im Kosmos zu sehen sind. Das liegt daran, dass das Universum noch nicht mit „Metallen“ gefüllt war. Mit diesem Begriff beschreiben Astronomen Elemente, die schwerer als Wasserstoff und Helium sind.
Pop-III-Sterne entstanden nur wenige hundert Millionen Jahre nach dem Urknall und waren „metallarm“ und bestanden hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium. Es wurde auch angenommen, dass sie viel größer und heißer als die Sonne waren. Das bedeutet, dass Pop III seinen Treibstoff für die Kernfusion schneller verbraucht hat als kleinere Sterne, und diese kurze Lebensdauer macht sie zu schwer fassbaren Zielen für Astronomen.
Da diese frühesten Sterne für die Bildung von Metallen verantwortlich sind, die die Bausteine der nächsten Generation weniger metallarmer Sterne werden würden, ist ihre Untersuchung der Schlüssel zum Verständnis der kosmischen Entwicklung. Neue Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass das Nancy Grace Roman Telescope (oder kurz Roman), das 2027 auf den Markt kommen soll, über eine einzigartige Möglichkeit verfügen könnte, dies zu erreichen.
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Anstatt nach intakten Pop-III-Sternen zu suchen, wird Roman nach den Überresten von ihnen suchen, nachdem sie zu nahe an Schwarze Löcher geraten sind und bei Ereignissen zerstört wurden, die Astronomen Tidal Disruption Events (TDEs) nennen.
„Da wir wissen, dass in diesen frühen Epochen wahrscheinlich Schwarze Löcher existieren, könnte uns der Fang dieser Löcher, während sie diese ersten Sterne verschlingen, die beste Chance bieten, Pop-III-Sterne indirekt zu entdecken“, sagte Priyamvada Natarajan, Mitglied des Studienteams und Wissenschaftlerin der Yale University, in einem Interview Stellungnahme.
Roman wird die Zerstörung der ersten Sterne beobachten
Wenn ein Stern in der Nähe eines Schwarzen Lochs vorbeizieht, erzeugt der enorme Gravitationseinfluss, dem er ausgesetzt ist, in ihm enorme Gezeitenkräfte. Dadurch wird der Stern horizontal gestaucht, während er vertikal gedehnt wird. Die Materie, aus der der Stern besteht, wird in einem Prozess namens „Spaghettifizierung“ in eine „Nudel“ aus Sternenstoff umgewandelt.
Die Materie, aus der einst der dem Untergang geweihte Stern bestand, kann jedoch nicht sofort in das Schwarze Loch fallen. Stattdessen sammelt es sich in einer abgeflachten Wolke um das Schwarze Loch, die Akkretionsscheibe genannt wird. Während sich dieses Material spiralförmig um das Schwarze Loch herum und auf dieses zu bewegt, erwärmt es sich und strahlt ein Leuchten aus, das in manchen Fällen über Milliarden von Lichtjahren hinweg sichtbar ist.
TDEs selbst sind vorübergehende Ereignisse. Das bedeutet, dass es bei der Zerstörung des Sterns zu einem kurzen, aber intensiven Aufflackern der Röntgen-, Radio-, Ultraviolett- und optischen Wellenlängen des Lichts kommt. So entstehen TDEs im Lokaluniversum, wo es keine Pop-III-Sterne mehr gibt. Aber diese heftigen Ereignisse sehen ganz anders aus, wenn man sie über weite Entfernungen von etwa 13 Milliarden Lichtjahren betrachtet.
Das liegt daran, dass die Wellenlänge des Lichts dieser Ereignisse durch die Ausbreitung des Weltraums länger wird und in den infraroten Teil des Spektrums gelangt – ein Phänomen, das „Rotverschiebung“ genannt wird.
Darüber hinaus verändert sich die transiente Natur von TDEs, wenn sich ihr Licht durch den Kosmos bewegt. Dies liegt daran, dass die Rotverschiebung dazu führt, dass ein Pop-III-zerstörendes TDE im Laufe von Hunderten bis Tausenden von Tagen heller wird und dann über einen Zeitraum von bis zu einem Jahrzehnt verblasst.
„Die Evolutionszeitskalen von Pop-III-TDEs sind sehr lang, was ein Merkmal ist, das ein Pop-III-TDE von anderen Transienten, einschließlich Supernovae und TDEs von Sternen der aktuellen Generation wie unserer Sonne, unterscheiden könnte“, sagte Studienteamleiter Rudrani Kar Chowdhury, a Postdoktorand an der Universität Hongkong.
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Durch die Bereitstellung eines Panorama-Sichtfelds des Kosmos, das 200-mal größer ist als das des Hubble-Weltraumteleskops, und durch die 1.000-mal schnellere Durchmusterung des Himmels als dieses Ionenteleskop sollte Roman das ideale Instrument sein, um diese frühen TDEs zu finden, Team Mitglieder sagten.
Während das James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) der NASA über die Leistung verfügt, die erforderlich wäre, um diese fernen und frühen TDEs zu sehen, ist sein Sichtfeld auch viel kleiner als das von Roman. Das bedeutet, dass es als TDE-Jäger nicht so effektiv ist wie das kommende Weltraumteleskop. Besonders vielversprechend bei der Suche nach zerstörten Pop-III-Sternen wird Romans High Latitude Wide Area-Durchmusterung sein, die einen 2.000-Quadratgrad-Blick auf den Himmel außerhalb der Ebene der Milchstraße ermöglichen wird.
„Roman kann sehr tief vordringen und dennoch einen sehr großen Bereich des Himmels abdecken“, sagte Teammitglied Jane Dai, Professorin für Astrophysik an der Universität Hongkong. „Das ist nötig, um eine aussagekräftige Stichprobe dieser TDEs zu erkennen.“
Das bedeutet nicht, dass JWST bei der Suche nach TDEs mit Pop-III-Stars keine Rolle spielen wird. Wenn Roman ein solches Vorkommen entdeckt, kann die leistungsstarke Infrarotansicht des JWST es vergrößern und mithilfe seiner spektroskopischen Instrumente das Vorhandensein von Metallen bestimmen. Dadurch wird festgestellt, ob der TDE tatsächlich die Zerstörung eines Pop-III-Sterns beinhaltet.
„Da diese Sterne nur aus Wasserstoff und Helium bestehen, werden wir im Spektrum der Objekte keine Metalllinien sehen, wohingegen wir in den Spektren der TDEs von regulären Sternen verschiedene Metalllinien sehen können“, sagte Kar Chowdhury.
Dieses Tag-Team aus Roman und JWST könnte daher die Geheimnisse der frühesten Sterne des Universums lüften und erfahren, wie sie die Entwicklung der nächsten Generationen von Sternen und der Galaxien, die sie beherbergen, beeinflusst haben.
Die Forschung wurde am 8. Mai online in den Astrophysical Journal Letters veröffentlicht.
