Erste Sternewie das erste Licht des Universums anging

Das erste Licht des Universums kam vom ersten Stern, der etwa 150 Millionen Jahre nach dem Urknall zündete: ein Riese von Hunderten Sonnenmassen. Davor hatten sich bei etwa 100 Millionen Jahren bereits Halos aus Dunkler Materie gebildet, und ihre Schwerkraftmulden begannen, Gas zu sammeln. Als diese Riesen aufleuchteten, ionisierte ihr Sternenlicht den neutralen Wasserstoff erneut, und wenn sie starben, streuten sie zum ersten Mal schwere Elemente in den Raum.

Diese Ära reicht von 150 Millionen bis 1 Milliarde Jahre, und in ihr entstanden sowohl die Sterne als auch Schwarze Löcher und Quasare.

Sechs Ereignisse

• 100 Millionen Jahre · Halos aus Dunkler Materie entstehen: Schwerkraftmulden beginnen, Gas zu sammeln. Stell dir eine unsichtbare Riesenschüssel vor: Das Gas rutscht an ihren Wänden hinab und häuft sich unten an.
• 150 Millionen Jahre · Erster Stern: Ein Riese von Hunderten Sonnenmassen zündet.
• 200 Millionen Jahre · Kosmische Reionisation: Sternenlicht ionisiert den neutralen Wasserstoff erneut.
• 200 Millionen Jahre · Erste Supernova: Schwere Elemente werden zum ersten Mal in den Raum gestreut. Sterne leuchten nicht nur, sie sind die ersten „Alchemieöfen“.
• 300 Millionen Jahre · Erstes Schwarzes Loch: Der Kern eines Riesensterns kollabiert zu einem Schwarzen Loch.
• 700 Millionen Jahre · Quasare: Supermassereiche Schwarze Löcher leuchten, während sie Materie verschlingen.

Diese Schritte hängen voneinander ab. Ohne Schwerkraftmulden kann sich kein Gas sammeln. Ohne Sterne gibt es keine Supernovae und keine späteren Schwarzen Löcher. Ohne Schwarze Löcher gibt es keine Quasare. Die Jahreszahlen sind ungefähr; in Wirklichkeit liefen diese Prozesse kontinuierlich und überlappten sich.

Die unsichtbaren Schwerkraftmulden: Dunkle Materie

Der früheste Hinweis kam von Galaxienhaufen. Galaxien im Coma-Haufen bewegen sich zu schnell, deshalb schlug jemand „Dunkle Materie“ vor, eine Idee, die jahrzehntelang vernachlässigt wurde (Zwicky, Helvetica Physica Acta, 1933). 1970 kam der Beleg zurück: Die Außenbereiche der Andromeda-Galaxie rotieren zu schnell, und viel unsichtbare Materie muss die Schwerkraft liefern. Dunkle Materie war nicht mehr bloß eine Vermutung (Rubin und Ford, The Astrophysical Journal, 1970).

Direkteren Beleg gab es, als zwei Galaxienhaufen kollidierten: Das Gas blieb in der Mitte, während der Schwerpunkt auf beiden Seiten landete, die Dunkle Materie wurde also „hinausgeschleudert“. Der Titel der Arbeit nennt es einen „direkten empirischen Beweis“ für die Existenz Dunkler Materie (Clowe et al., The Astrophysical Journal Letters, 2006).

Warum Sterne leuchten und wie sie sterben

Wie kann die Sonne Milliarden Jahre brennen? Sterne leuchten durch Kernfusion, ein Rätsel, das in einem Aufsatz mit dem Titel „Energy production in stars“ gelöst wurde (Bethe, Physical Review, 1939). Auch das Schicksal eines Sterns nach dem Tod hat eine Grenze: Ein Weißer Zwerg hat eine Maximalmasse von etwa 1,4 Sonnenmassen, darüber muss der Stern weiter kollabieren (Chandrasekhar, The Astrophysical Journal, 1931).

Schwarze Löcher: vom indirekten Beleg zum Schatten

Über mehr als zehn Jahre die Bahnen von Sternen nahe dem Galaktischen Zentrum zu verfolgen, zeigte, dass sich dort ein Schwarzes Loch von etwa 4 Millionen Sonnenmassen verbirgt. Die Arbeit gewann 2020 den Nobelpreis (Ghez et al., The Astrophysical Journal, 2008). Vor 1,3 Milliarden Jahren verschmolzen zwei Schwarze Löcher, und die Wellen der Raumzeit wurden endlich von Menschen gehört, womit Einsteins Vorhersage von vor einem Jahrhundert bestätigt wurde (Abbott et al., LIGO und Virgo, Physical Review Letters, 2016). Radioteleskope rund um die Welt bildeten ein erdgroßes „virtuelles Teleskop“ und bildeten den Schatten des Schwarzen Lochs im Zentrum der Galaxie M87 ab (Event Horizon Telescope Collaboration, The Astrophysical Journal Letters, 2019).

Ein noch ungelöstes Rätsel

Als das Universum noch keine 700 Millionen Jahre alt war, gab es schon ein Schwarzes Loch von 800 Millionen Sonnenmassen. Wie wuchs es so schnell? Das ist noch ein Rätsel. Der Titel der Arbeit nennt außerdem zwei Bedingungen: eine Rotverschiebung von 7,5 und ein „deutlich neutrales Universum“ (Bañados et al., Nature, 2018).

Die Originale lesen? Such nach diesen Titeln

• Zwicky (1933): Die Rotverschiebung von extragalaktischen Nebeln
• Rubin und Ford (1970): Rotation of the Andromeda Nebula from a spectroscopic survey of emission regions
• Clowe et al. (2006): A direct empirical proof of the existence of dark matter
• Chandrasekhar (1931): The maximum mass of ideal white dwarfs
• Bethe (1939): Energy production in stars
• Ghez et al. (2008): Measuring distance and properties of the Milky Way's central supermassive black hole with stellar orbits
• Abbott et al. (2016): Observation of gravitational waves from a binary black hole merger
• Event Horizon Telescope (2019): First M87 Event Horizon Telescope Results. I. The shadow of the supermassive black hole
• Bañados et al. (2018): An 800-million-solar-mass black hole in a significantly neutral Universe at a redshift of 7.5

So zeigt es das Spiel

Im Spiel ist der Zeitraum der Ära Erste Sterne „150 Millionen bis 1 Milliarde Jahre“, und ihre Ressource sind Sterne. Die Generatoren sind Halos aus Dunkler Materie, Gaskollaps, Protosterne und Population-III-Riesen, ungefähr in der Reihenfolge des obigen Prozesses „von der Schwerkraftmulde zum Stern“.