Starburst-Galaxien ...

... und ihre bis zu 33-fach erhöhte Sternentstehungsrate

- Zusammenstöße von Galaxien mit anderen - Sie intensivierten die Entstehung schwerer Elemente

 

/ Dritter Beitrag in der unserer Reihe "Wir sind Sternenstaub" /

Küßten sich zwei Galaxien - und aus diesem Kuß gingen hunderte, ja tausende von jungen, hellen, fröhlichen Sternenkindern hervor. So könnten wir die folgende Geschichte erzählen. Aber wir wollen in der Sprache der Wissenschaft bleiben und sagen (Wiki):

Die meisten Galaxien erfahren wahrscheinlich im Verlauf ihrer (Milliarde Jahre langen) Existenz mindestens einmal ein sehr bedeutsames Zusammentreffen mit einer weiteren Galaxie.

Original: Most galaxies probably undergo at least one significant collision in their lifetimes.

Und aus einem solchen Zusammentreffen entstehen "Starburst-Galaxien" (Wiki). Was für ein Name: Starburst-Galaxie. "Burst" heißt auf Deutsch: platzen, ausbrechen, explodieren. Mit "Starburst" ist aber hier gar nicht das Explodieren von Sternen gemeint. (Das wäre ja erst das Ende eines Sterns und nicht alle Sterne enden als eine solche Explosion, als Supernova - wenn auch deren Auftreten in dieser Art von Galaxie ebenfalls häufiger zu beobachten ist.) Vielmehr ist hier damit gemeint die deutliche Erhöhung von Sternentstehungsraten innerhalb einer Galaxie. Sie kann sich durch das Zusammentreffen von Galaxien um das 33-fache erhöhen gegenüber den gewöhnlichen Lebensphasen einer Galaxie.

Abb. 1: Sternentstehungsgebiete in der Whirlpool-Galaxie M 51 (Wiki) - Die vielen hellen, rosa gefärbten Stellen sind Sternentstehungsgebiete. Die Galaxie wabert von Sterngeburten (Aufnahme vom Hubble-Weltraumteleskop)

Der Grund liegt in den "Gezeiten-Wirkungen", die dabei ausgelöst werden, also in den Wirkungen, die die Gravitation der beiden Galaxien auf das in den beiden Galaxien wabernde interstellare Medium ausübt. Der dadurch erhöhte Druck innerhalb der Wolken des interstellaren Mediums bewirkt die erhöhten Sternentstehungsraten.

Starburst-Galaxien sind mithin der eigentliche Schwangerschaftszustand einer Galaxie. Starburst-Galaxien feiern Hochzeit, mitunter in einem erhabenen, hingebungsvollen Taumel (Abb. 1 und 2). Aber eben so ist die Rate der Sternentode in solchen Galaxien erhöht, also - unter anderem - von Supernova-Ereignissen, sowie von der Produktion Roter Riesen und Roter Zwerge. Sprich, das ganze "Leben" einer Galaxie ist in Starburst-Galaxien vervielfältig, erhöht, beschleunigt. Sie befinden sich in einem ganz anderen "Erregungszustand". 

Eine Starburst-Galaxie wabert von Sterngeburten und Sternentoden. Unter diesen Sternentoden gibt es auch viele Rote Riesen, die "rußen" und die dabei besonders viel "lebenswichtigen" Kohlenstoff erzeugen und diesen in jenen sogenannten "Planetarischen Nebeln" zurücklassen, die sie von sich abstoßen, wenn sie zu Weißen Zwergen erlöschen. Die wichtigste Folge von einem solchen vervielfältigten Geschehen von Sterngeburten und Sternensterben der verschiedensten Art ist: Die "Metallizität" der Galaxie, der Anteil an schweren Elementen in ihr steigt. Und diese Metallizität gilt als Voraussetzung dafür, daß auf Planeten, die um Sterne kreisen, Leben entstehen kann.

Allerdings ist es ebenfalls wohl noch keineswegs besonders genau bestimmt, wie hoch die Metallizität insgesamt sein muß, damit protoplanetare Scheiben, Planeten und auf ihnen Leben entstehen kann. Hierzu erscheinen zur Zeit immer wieder neue Forschungsartikel. Auf einige von ihnen werden wir im nachfolgenden Beitrag noch genauer eingehen. Auch erscheinen gerade erst seit 2018 Forschungsartikel, die aufzeigen können, welche Kollisionsgeschichte, also welche "Starburst"-Geschichte eigentlich unsere eigene Milchstraße hinter sich hat. Dazu am Ende diess Beitrages mehr. Erst wollen wir noch einige Grundlagen legen.

Sterne der "Populationen III" und "II" werden als die älteren Sterngenerationen in den Galaxien unseres Universums bezeichnet (s. Anmerkung 1). Um so älter die Sterne in den Galaxien unseres Weltalls sind, um so geringer ist ihre "Metallizität". "Metallizität" ist geradezu der Zentralbegriff für die Fragestellung unserer Beitragsreihe "Wir sind Sternenstaub". Denn in welcher Weise wir Sternenstaub sind, hängt immer und immer nur wieder von der jeweiligen "Metallizität" eines Sterns, bzw. der Molekülwolke ab, aus der dieser Stern entsteht. "Metallizität" nun ist (Wiki) ...

... eine Bezeichnung für die Häufigkeit der schweren chemischen Elemente in Sternen. Als "Metalle" werden dabei (...) alle Elemente außer Wasserstoff und Helium bezeichnet, seltener die Elemente ab Kohlenstoff, also ab einer Kernladungszahl von sechs. (...) Sterne mit niedriger Metallizität (Population II) sind in einem früheren Entwicklungsstadium des Universums entstanden, als erst wenige "Metalle" vorhanden waren. Sterne mit hoher Metallizität (Population I) sind zu einem späteren Zeitpunkt aus der mit schweren Elementen angereicherten "Asche" früherer Sternengenerationen entstanden.

Es war der deutsche, Hamburger Astronom Walter Baade (1893-1960), der während des Zweiten Weltkrieges in den USA die Grundlagen zu diesen Erkenntnissen legen konnte, da er als deutscher Emigrant nicht zu kriegswichtigen Forschungsarbeiten herangezogen wurde und so im Gegensatz zu seinen US-amerikanischen Astronomie-Kollegen in aller Ruhe astronomische Forschungen dort betreiben konnte (s. Anhang 1). Wie kommt es nun, daß Sterngenerationen aufeinander folgen können in der Geschichte der Galaxien unseres Universums? 

"Whirlpool-" und wilde "Antennen-Galaxien"

Als Beispiel für eine Galaxie mit besonders vielen aktiven Sternentstehungsgebieten wird oft die "Whirlpool-Galaxie" (Wiki) angeführt (Abb. 1). Sie ist 25 Millionen Lichtjahre von uns entfernt und seit weit über hundert Jahren ein beliebtes Beobachtungsobjekt für Amateur-Astronomen. Die Whirlpool-Galaxie war auch jene Galaxie, bei der 1845 ein irischer Adliger zum ersten mal die Spiralstruktur von Galaxien entdeckt hat. Zuvor hatte man von allen Galaxien angenommen, daß es sich um bloße Sternenhaufen handeln würde ohne weitere innere Struktur.

Als zwei weitere bekannte Starburst-Galaxien, die im Erscheinungsbild zudem noch in mehrfachster Hinsicht eindrucksvoll sind, gelten die "Antennen-Galaxien" (Wiki) (Abb. 2). Welcher menschliche Künstler hätte auf die Idee kommen können, sich ein solches herrisches, stolzes, völlg exzentrisches Geschehen vorzustellen und zu malen? Fast möchte man es angesichts eines solchen Bildes als bedauernd ansehen, daß unsere eigene Galaxie - nach derzeitigem Kenntnisstand - eine solche völlig außer sich geratene Geschichte nicht hinter sich hat (siehe unten).

Abb. 2: In herrischer, wilder, erhabener, stolzer Selbstaufgabe befindlich: Zwei der bekanntesten Starburst-Galaxien, die beiden "Antennen-Galaxien" (Wiki)

Bleiben wir aber zunächst bei der Whirlpool-Galaxie. Sie hat - obwohl man das auf den ersten Blick gar nicht als wichtig nimmt - einen nahen, "wechselwirkenden" Begleiter, die Begleitgalaxie NGC 5195 (in Abb. 1 am rechten Bildrand). Dieser nahe "wechselwirkende" Begleiter ist nun keineswegs so unwichtig als wie man ihn auf den ersten Blick erachten würde. Er erst macht diese Galaxie zu einer wirklich interessanten, "Sternen-schwangeren" Galaxie. Wie nämlich die Forschung seit den frühen 1970er Jahren immer besser versteht, ist ein solcher Begleiter keineswegs bloß eine "Nebensache" für die Lebensgeschichte von Galaxien und den darin geborenen Sternen.

Denn insbesondere solcher Wechselwirkungen mit anderen Galaxien scheint es zu bedürfen, um die Sternentstehungsrate in einer Galaxie um ein solches Vielfaches zu erhöhen, daß sie zu einer "Starburst-Galaxie" wird.

Sollte die Monogamie-These auf die Galaxien-Welt erweitert werden?

Mit großem Erstaunen fragt man: Warum hat sich die Natur so etwas ausgedacht? Kann etwa die "Monogamie-These" zur Evolution von Komplexität in der Organismenwelt, die wir hier auf dem Blog schon umfangreich behandelt haben, erweitert werden auf die Sternenwelt? Immer wieder stehen wir fasziniert vor neuen, höchst erstaunlichen Tatsachen, nun auch in der Sternenwelt. Hören wir weiter über die "Whirlpool-Galaxie" (Wiki):

In M 51 findet derzeit eine außergewöhnlich aktive Sternentstehung statt, die vermutlich durch die Gezeitenwechselwirkung mit NGC 5195 verursacht wird. Deswegen hat die Galaxie einen hohen Anteil junger und massereicher Sterne, die aber mit einigen Millionen Jahren nur vergleichsweise kurzlebig sein werden. In M 51 wurden innerhalb von 17 Jahren drei Supernovae beobachtet.

Massereiche Sterne heißt: Sie werden in einigen Millionen Jahren in einer Supernova enden. Und das heißt wiederum: In diesen Sternen wird jene Metallizität produziert und dann mitsamt der Supernova im jeweiligen Galaxienarm verteilt, die notwendig ist, damit sich die Metallizität der Sterne allmählich innerhalb der Entwicklung unseres Universums erhöhen kann und damit vermutlich zugleich auch die Fähigkeit und Wahrscheinlichkeit, daß auf jenen Planetensystemen, die die daraus entstehenden Sterne begleiten, Leben entstehen kann. Über - für Leben bewohnbare - "Habitable Zonen" in Galaxien erfahren wir (Wiki):

So wird gesprochen (...) von einer habitablen Zone einer Galaxie, in der sich bereits genügend schwere Elemente gebildet haben, aber andererseits nicht zu viele Supernova-Explosionen ereignen.

Das Konzept der galaktischen, habitablen Zone wurde erstmals 2001 von dem Astrophysiker Guillermo Gonzales formuliert (4). Das heißt, Starburst-Galaxien eignen sich zwar zur Anreicherung schwerer Elemente. Weil es in ihnen aber auch so viele Supernova-Explosionen gibt, ist in ihnen die Entstehung und Milliarden Jahre lange Fortexistenz von Leben weniger wahrscheinlich (Wiki):

Ursprünglich bezog sich dies Konzept (englisch galactic habitable zone, GHZ) nur auf den chemischen Entwicklungsstand einer galaktischen Region, wonach genügend schwere Elemente in einer Region einer Galaxie vorhanden sein müssen, damit Leben entstehen kann. (...) In den inneren Regionen einer Galaxie läuft diese Nukleosynthese schneller ab als in den äußeren Regionen, weswegen man einen maximalen Radius der galaktischen habitablen Zone definieren kann.  Später kam als weiteres Kriterium hierzu die Sternbildungsrate in der jeweiligen Region einer Galaxie hinzu. Befindet sich ein Stern mit einem Planeten zu dicht an einer Supernovaexplosion, die bevorzugt in Regionen mit aktiver Sternbildung stattfinden, wird dadurch die Atmosphäre des Planeten zu sehr gestört und der Planet zu starker kosmischer Strahlung ausgesetzt, als daß sich Leben dauerhaft entwickeln könnte. Für Spiralgalaxien wie der Milchstraße steigt die Supernovarate zu den inneren Regionen einer Galaxie hin an. Daher kann man auch einen inneren Radius der galaktischen habitablen Zone angeben. Das bedeutet, daß die galaktische habitable Zone einer Spiralgalaxie wie der Milchstraße einen Ring um das Zentrum der Galaxie bildet. Innerhalb dieses Rings ist die Sterndichte zu hoch, außerhalb ist die Dichte zu gering, als daß genug Sterne schon genug schwere Elemente produziert haben. Im Laufe der Zeit vergrößert sich der Bereich jedoch nach außen. Andererseits sind viele dieser Parameter sehr unsicher, sodaß es auch durchaus möglich sein kann, daß die gesamte Milchstraße in diesem Sinne „bewohnbar“ ist.

Wie gut - oder: welch Zufall! - daß unsere Galaxie, die Milchstraße vermutlich ihre letzte Galaxien-Kollision schon vor 9 Milliarden Jahre hatte und seither - verglichen mit anderen Galaxien - auf eine außergewöhnlich ruhige Lebensgeschichte zurück blicken kann (siehe unten). Wie gut für uns, offenbar. Zu viel Exzentrik hätte - womöglich - unsere Existenz gefährdet.

Abb. 3: Wenn sich Galaxien küssen .... entstehen besonders viele neue, kleine, helle Sternenkinder - Galaxien aber sind "Lebenskünstler" mit den vielfältigsten Kußtechniken .... (Wiki)

 

Gibt es erst seit 5 Milliarden Jahren ausreichende Metallizität in unserem Universum für Leben?

Bei dieser Gelegenheit erfahren wir, daß auch das "kosmische habitable Zeitalter" begrenzt sein könnte (Wiki):

Dem Konzept des habitablen Alters des Universums (englisch cosmic habitable age, CHA) liegen die chemische Entwicklung der Galaxien seit dem Urknall und die Erkenntnisse über die Strukturentwicklung der Galaxien und Galaxienhaufen zugrunde. Ausgehend von den Erfahrungen der chemischen Evolution auf der Erde kann im Universum seit mindestens 3,5 Milliarden Jahren Leben existieren und wahrscheinlich seit höchstens 5 Milliarden Jahren. Andererseits wird sich in Zukunft die Nukleosynthese durch Sterne soweit verlangsamen, daß in voraussichtlich 10 bis 20 Milliarden Jahren geologisch wichtige radioaktive Elemente nicht mehr in ausreichender Menge im interstellaren Medium vorhanden sein werden, um auf einem neu entstandenen Planeten Plattentektonik in Gang zu halten und ihn so durch den Carbonat-Silicat-Zyklus für die Bildung von Leben im Sinne der zirkumstellaren habitablen Zone geeignet zu machen.

In der Tat scheint die Forschung das Zeitfenster für das Entstehen von Leben in unserem Universum immer mehr zu verkleinern. ... Sollten am Ende wir die einzige Zivilisation im Universum sein, um derentwillen dasselbe entstanden ist? Da sagen natürlich alle "nüchternen" Naturwissenschaftler nach 500 Jahren Demütigung des menschlichen "Mittelpunktwahnes" innerhalb unseres Universums: Welch vermessene Überheblichkeit, so zu denken! Aber warum Überheblichkeit? Womöglich würde damit erst das "Prinzip Verantwortung", formuliert von Philosophen wie Hans Jonas sein volles Gewicht bekommen. Wenn man bedenkt, daß so viel Exzentrik in unserem Universum vom atomar Kleinen bis zum universal Großen nur allein um unseretwillen sich in Szene gesetzt haben könne - sollte das nicht Einfluß auf das menschliche Selbstverständnis haben können? Und zwar nicht in Richtung Überheblichkeit, nein, ganz im Gegenteil. Vielmehr in Richtung: Demut. Universum, welche Gedanken gibst du uns ein, während wir deinen Gesetzen nachspüren? - - - Auf der Whirlpool-Galaxie sind nun all die "rosa" Pünktchen überall verteilt, die "ultravioletten" Sternentstehungsgebiete (s. Abb. 1). Über sie lesen wir (Wiki):

Der ultraviolette Spektralbereich wird von den Spiralarmen von M 51 dominiert. Das liegt daran, daß dort aktive Sternentstehungsgebiete liegen und somit viele junge Sterne früher Typen, also besonders heiße Sterne, existieren, die im Ultraviolett stark strahlen. Das Sternentstehungsgebiet im Spiralarm zwischen M 51 und dem Begleiter ist besonders deutlich zu sehen. Die Sterne der Begleitgalaxie sind in diesem Spektralbereich dagegen so gut wie unsichtbar. 

Es ist doch in der Tat besonders spannend, daß unter den vielen aktiven Sternentstehungsgebieten in der Whirlpool-Galaxie sich die größte Häufigkeit derselben in der nächsten Nähe zum Galaxien-Begleiter findet. Was für eine "Anregung" geht von diesem unauffälligen Begleiter aus! Ist man da nicht erinnert an die "Wallfahrt" der "Frommen Helene", ausgeführt, um dem Kindersegen in einer kinderlosen Ehe auf die Sprünge zu helfen? Hören wir kurz hinein (W. Busch):

Aber dort im Sonnenscheine

Geht Helene traurig-heiter,

Sozusagen, ganz alleine,

Denn ihr einziger Begleiter,

Still verklärt im Sonnenglanz,

Ist der gute Vetter Franz ...

... Durch solch einen unauffälligen Begleiter kann der Kindersegen in einer Ehe dann doch wieder in Schwung kommen. Doch kehren wir aus dem Bereich des "Allzumenschlichen" zurück in die Sternenwelt ...

Wiederkehrende "Schöpfungsmelodien"

Wechselwirkungen einer Spiralgalaxie mit einer anderen - so verstehen die Astronomen seit Anfang der 1970er Jahre also immer besser - rufen besonders viele Sternentstehungsgebiete hervor (Wiki). Es ist also, als bedürfe es auch in der Sternenwelt - wie im Leben der meisten Pflanzen- und Tierarten, sowie der Menschen - der Begegnung mit einem zweiten Elternteil, der "Anregung" durch dieses, damit "Nachkommen" - in diesem Falle Sternenkinder - in besonders großer Häufigkeit entstehen können (- und warum sollte das denn auch immer ausgerechnet der "gesetzlich Vorgesehene" sein?). Und immer wieder drängt sich die Frage auf: Warum sich wohl die Natur das so und nicht anders ausgedacht hat? Warum wir wohl immer wieder auf solche "wiederkehrenden Melodien" innerhalb der Kosmologie und Evolution stoßen? Wir vertiefen uns weiter in die Thematik und lesen (1):

"Galaxienkollisionen beginnen als eleganter Walzer in den enormen Räumen und Zeitspannen der Galaxienwelt", schreibt Curtis Struck von der Iowa State University in seiner Monographie zum Thema. "Und sie enden wie Paarungen von Gottesanbeterinnen oder wie der Wettbewerb zwischen Firmen: indem die größere die kleinere schluckt."

Das heißt, indem eine Verschmelzung beider Galaxien miteinander stattfindet. Aber es geschieht noch Erstaunlicheres (1):

So dramatische Folgen Kollision und Verschmelzung für eine Galaxie hat, ihre Sterne wechseln lediglich das Umfeld. Im Extremfall werden sie vielleicht in den intergalaktischen Raum geschleudert, bleiben ansonsten aber unbehelligt. Warum, könne man sich klarmachen, schreibt Curtis Struck, wenn man die Maßstäbe in Gedanken so weit schrumpfen läßt, daß ein Stern nur noch so groß ist wie ein Sandkorn. Die Milchstraße hätte dann den Durchmesser der Mondbahn, aber zwischen ihren sandkorngroßen Sternen befände sich im Mittel 140 Kilometer leerer Raum. Treffen zwei derart lockere Sandwolken aufeinander, ist eine Kollision zweier Körner extrem unwahrscheinlich. Anders sieht es für Gas- und Staubwolken aus. Sie werden bei einer Galaxienkollision in großem Umfang so weit verdichtet, daß sie an vielen Stellen unter ihrer eigenen Schwerkraft kollabieren und neue Sterne entstehen. Das ist der Grund für das viele Blau und Rosa in Bildern interagierender oder frisch verschmolzener Galaxien: Blau strahlen kurzlebige Riesensterne, und rosa leuchten Gaswolken, die von deren Ultraviolettlicht beschienen werden. Beides sind charakteristische Phänomene in Sternentstehungsgebieten.

Hier werden wir wieder an die Größenverhältnisse der Umlaufbahn der Elektronen um den Atomkern in der Welt des atomar Kleinsten erinnert. Auch diese kehren als "wiederkehrende Schöpfungsmelodie" im Strukturaufbau des Universums - offenbar - wieder. Die hier zu benennenden entscheidenden Zusammenhänge sind noch einmal im Klappentext zum hier zitierten Buch von Curtis Struck aus dem Jahr 2011 benannt (2):

Begegnungen von Galaxien miteinander sind der Schlüsselvorgang für den Bau von Galaxien. Sie geben den Anstoß für die Sternenentstehung und damit für den Aufbau von schwereren Elementen, die die Entstehung von Planeten und Sonnensystemen erlauben.

Galaxy collisions are the key process in building galaxies, triggering the formation of stars and the build-up of heavy elements that allow the formation of planets and solar systems. 

Wir wollen es an dieser Stelle unentschieden lassen, ob es wirklich erlaubt ist, eine solche Aussagen in einer solchen allgemeinen Form zu treffen. Aber wenn es so wäre, wäre noch einmal die Frage zu stellen: Warum ist unser Universum aus sich selbst heraus so durchgestaltet, daß solche "wiederkehrenden Melodien" in ihm zu finden sind? Daß - offenbar - die häufigste Form der Sternenentstehung nicht - sozusagen - "asexueller" Natur ist? Warum beruht - womöglich - sogar unsere eigene Existenz darauf, daß die Sternenentstehung in unserer Galaxie einstmals angestoßen, angeregt worden war durch Wechselwirkung mit anderen Galaxien? Was für ein faszinierender Gedanke.

Galaxien-Kollisionen - Im frühen Universum deutlich häufiger als heute

Um so mehr wir begeistert sind von unserer eigenen Existenz, mit um so mehr Liebe werden wir auf jene "anregenden" Vorgänge der Begegnung und Verschmelzung von Galaxien schauen, die einstmals - - - die Wahrscheinlichkeit, die Möglichkeit von Leben auch in unserer Galaxie erhöht haben werden. Brüder und Schwestern dort in fernen Galaxien, geheiligt seien jene Vorgänge, denen ihr, denen wir unser Dasein verdanken. Preiset das Universum, preiset das Leben, fühlt Euch erhoben beim Anblick der Sterne. Wir lernen weiter (Wiki):

Heute finden sich nur noch etwa eine bis zwei von hundert Galaxien im direkten Prozeß einer Verschmelzung. Es deutet Vieles darauf hin, daß in der Zeit etwa eine Milliarde Jahre nach dem Urknall die damals häufigen Zwerggalaxien vielfach miteinander verschmolzen. (...)

Verschmelzungen von Galaxien dauern mehrere hundert Millionen Jahre bis 1,5 Milliarden Jahre, die Beruhigungsprozesse dauern noch wesentlich länger. Dabei nähern sich die Objekte zunächst einander an und umkreisen sich. Hier spielt es eine Rolle, wie groß bzw. wie schwer die Galaxien im Vergleich zueinander sind. Die Bezugspunkte für die Kreisbahnen sind hier die Zentren (Kerne) der Sterneninseln. Die Umkreisungen werden dann immer enger. In den meisten Fällen durchdringen sich die Galaxien dabei mehrmals gegenseitig, bevor sie schließlich verschmelzen. Durch das gegenseitige Durchdringen werden die ursprünglichen Formen gesprengt und es wird Materie wie Gas und Sterne ausgetauscht. Die Schwerkraft muß ausreichen, um die zerrissenen Galaxien zusammenzuhalten. Im anderen Fall driften sie nach dem ersten Durchdringen auseinander. 

Ist es nicht fast so, als würden hier Annäherungsprozesse zwischen Einzellern beschrieben? Auch hier finden wir Zellannäherung (Wiki), Konjugation (Austausch von DNA) (Wiki) und Kopulation (Verschmelzung) (Wiki), bzw. Endosymbiose (Wiki) (so ja etwa auch bei der Verschmelzung von Samenzelle und Eizelle bei der Entstehung eines neuen Lebewesens). Und erinnern all diese Vorgänge nicht auch an Verhalten von Tieren und von Menschen bei der "Paarung" - mit den Verhaltensübergängen von freundschaftlicher Annäherung, von "Umwerben", "Umtanzen" über Zurückgehen in die Distanz bis hin zum Austausch von Gedanken, Gefühlen, Umschmeicheln - bis hin zur Verschmelzung zweier Wesen in einer geschlechtlichen Vereinigung? Auch so manchen Flüssen haben die Menschen ja solche Verschmelzungen zugeschrieben. Erinnert sei etwa an den Weserstein bei Hannoversch Münden. Das zugehörige kleine Gedicht lautet (Wiki):

Wo Werra sich und Fulda küssen

Sie ihre Namen büßen müssen,

Und hier entsteht durch diesen Kuß

Deutsch bis zum Meer der Weser Fluß.

Wohl uns, wenn wir noch Poesie in der Natur sehen können. Über die Verschmelzungsphase zweier Galaxien ist zu erfahren (Wiki):

Die Bewegungen der Galaxien zueinander geraten in immer kreisförmigere und engere Bahnen, was die Zusammenstöße der Gaswolken intensiviert. Daraus bildet sich unter hohem Druck eine dichte Gaswolke im Zentrum. Diese Wolke wird durch den hohen Druck instabil und fällt zusammen. Dabei bildet das Gas neue Sterne. Auf diese Weise entstehen extrem viele Sterne, was in dieser Form Sternentstehungsausbruch (englisch Starburst) genannt wird. Ein großer Anteil des Gases wird durch die gewaltigen Energien der neuen Sterne aus dem Sternensystem hinaus geblasen. Es verbleiben viele Sterne und wenig Gas. Dadurch können in diesen Galaxien später lange keine oder fast keine neuen Sterne mehr entstehen. Eine auf diese Art neu gebildete Galaxie besteht also aus gemeinsam alternden Sternen, wobei kaum mehr jüngere Sterne nachkommen. Bei der Verschmelzung von größeren Galaxien entstehen meist elliptische Galaxien (vgl. Abschnitt über die kosmologische Hierarchie). In den heutigen elliptischen Galaxien befinden sich daher fast ausschließlich sehr alte Sterne gleicher Generation (Sternpopulation) mit ähnlicher Masse wie die Sonne. In anderen Galaxietypen sind sowohl unterschiedliche Sternpopulationen als auch höhere Mengen an Gas vorhanden.

Zwei besonders eindrucksvolle, wilde, "herrische" Starburst-Galaxien sind die Antennen-Galaxien. Ihre Vereinigung erscheint stolz, kühn, herrisch, voller herrlicher Leidenschaft (Abb. 2). Ganze Hymnen, möchte man schreiben beim Anblick der Vereinigung dieser beiden Galaxien. Bislang hat die Forschung "leider" nicht festgestellt, daß es bei den frühen Kollisionen der Milchstraße ähnlich herrisch und - sozusagen: "gleichberechtigt" - zugegangen wäre (siehe unten).

Es sei wiederholt: In einer solchen Starburst-Galaxie ist die Sternentstehungsrate bis zu 33 mal höher als in Galaxien während ihrer "normalen" Lebensphase (Wiki):

Galaxien, die sich in der Mitte eines Starburst, eines Ausbruchs von Sternengeburten befinden, zeigen regelmäßig entweder Gezeitenschweife, die ein Hinweis auf ein enges Zusammentreffen mit einer anderen Galaxie sind oder sie befinden sich in der Mitte eines Verschmelzungsvorgangs selbst. (...) Es ist gezeigt worden, daß eine starke Korrelation besteht zwischen dem asymetrischen Aufbau einer Galaxie und der Jugend ihrer Sternpopulation. Um so asymetrischer die Galaxien sind, um so jüngere, zentrale Sternenpopulationen haben sie. Da Asymetrien durch Gezeiten-Wechselwirkungen und Verschmelzungen zwischen Galaxien entstehen können, ist dieses Ergebnis ein weiterer Hinweis darauf, daß Verschmelzungen und Gezeiten-Wechselwirkungen zentrale Sterngeburten in einer Galaxie auslösen können und den Ausbruch von Sterngeburten beschleunigen können. (...) Starburst-Galaxien scheinen in unserem Teil des Universums sehr selten zu sein und sind viel häufiger weiter entfernt - dies legt nahe, daß es Milliarden von Jahren früher mehr von ihnen gegeben hat.

Original: Galaxies in the midst of a starburst frequently show tidal tails, an indication of a close encounter with another galaxy, or are in the midst of a merger.(...) It has been shown that there is a strong correlation between the lopsidedness of a galaxy and the youth of its stellar population, with more lopsided galaxies having younger central stellar populations. As lopsidedness can be caused by tidal interactions and mergers between galaxies, this result gives further evidence that mergers and tidal interactions can induce central star formation in a galaxy and drive a starburst. (...) Starburst galaxies seem to be quite rare in our local universe, and are more common further away - indicating that there were more of them billions of years ago.

Der erste Teil des Zitats bezieht sich auf eine Arbeit aus dem Jahr 2009 (3). Um so deformierter und asymetrischer also die Galaxien bei einem Zusammentreffen und Verschmelzen werden, um so mehr neue Sterne entstehen. In der Studie aus dem Jahr 2009 ist auch eine Studie aus dem Jahr 2004 zitiert, in der es heißt (4):

Wir finden eine enge Korrelation zwischen der Sternenmasse und der Metallizität (einer Galaxie) über 3 Größenordnungen in der Sternenmasse hinweg und einen Faktor von 10 in der Metallizität.

We find a tight (±0.1 dex) correlation between stellar mass and metallicity spanning over 3 orders of magnitude in stellar mass and a factor of 10 in metallicity. 

Das heißt also:  Um so mehr Sterne sich in einer Galaxie der Masse nach finden, um so mehr schwere Elemente finden sich in ihr. Dabei kann die Metallizität um den Faktor 10 erhöht sein, wenn die Sternenmasse höher wird. Viele Sterne in einer Galaxie bedeuten also zugleich viele schwere Elemente in ihr. Deshalb wird es auch einen ähnlichen Zusammenhang geben mit der Helligkeit einer Galaxie: Um so heller eine Galaxie ist, um so mehr schwere Elemente finden sich in ihr (Wiki) ("Metallicity has a positive correlation with the absolute magnitude (luminosity) of a galaxy.") Aufgrund der Verschmelzungen von Galaxien vor allem in der Frühzeit des Universums sind Galaxien heute in der Regel größer und schwerer als damals.

Abb.: Eineinhalb Jahre nach Erscheinen dieses Beitrages ist das Thema auch in der deutschsprachigen Wissenschaftspresse angekommen (Spektrum der Wissenschaft 3/2022)

In unserer Milchstraße entstehen heute nur etwa zehn neue Sterne pro Jahr. In 12,2 Milliarden Lichtjahren Entfernung aber wurde 2008 eine Galaxie aus der Frühzeit unseres Universums entdeckt, ihr Name schon ist Programm: "Baby Boom-Galaxie" (Wiki). In ihr entstehen bis zu 4.000 Sterne pro Jahr. Also eine um mehr als das Hundertfache erhöhte Sternbildungsrate.

Die Hochzeiten unserer eigenen Galaxie ....

Ganz so spektakulär wie auf den Abbildungen 1 bis 3 scheint es bei den Verschmelzungsereignissen unserer eigenen Galaxie vor 11 bis 9 Milliarden Jahren - nach den bisherigen Forschungen - nicht zugegangen zu sein. Aber zu diesem Thema sind seit 2018 auch erst die ersten belastbaren Studien erschienen. Angesichts all der bisherigen Feststellungen in diesem Beitrag war ja schon lange im Hinterkopf die Frage entstanden, ob es denn auch Hinweise darauf gibt, daß auch die Milchstraße in ihrer Geschichte schon solche "anregenden", "erregenden" Begegnungen mit anderen Galaxien hatte. Und auf dem Blog "Alpha Cephei" des Astrophysik-Bloggers "Alderamin" (Jg. 1964), dessen Blogartikel gerne auch einmal von "Bild der Wissenschaft" übernommen werden, werden wir fündig. Er schrieb im letzten Jahr zunächst (7) (Alpha 2019):

Heutige Galaxien sind größer und erleiden weniger Kollisionen als im frühen Universum. Die Kollisionen haben die Galaxien durcheinander gewirbelt und aufgebläht, und da die Abstände im Weltall gewachsen sind, geschehen heute viel weniger Kollisionen als im frühen Universum.

Für die Milchstraße sind - gerade erst im Jahr 2018 - zwei frühe Kollisionen nachgewiesen worden (7) (Alpha 2019):

In vergangenen Artikeln hatte ich schon beschrieben, daß auch die Milchstraße offenbar kleine und größere Galaxien verschluckt hat.

Aha, so lesen wir ganz überrascht. Und am angegebenen Ort lesen wir dann weiter (8):

Man weiß aus dem Alter der ältesten Roten und Weißen Zwerge, daß die Milchstraßenscheibe ungefähr zwischen 11 und 8 Milliarden Jahre vor unserer Zeit entstanden sein muß. Der Halo aus Sternen und Dunkler Materie, der die Milchstraße umgibt, muß noch älter sein, das Alter der Kugelsternhaufen liegt zwischen 11 und 13 Milliarden Jahren, nur wenig jünger als das Weltalter von knapp 14 Milliarden Jahren überhaupt. (...) Die Autoren proklamieren den Einschlag einer Galaxie in der Milchstraße von rund 50 Milliarden Sonnenmassen beginnend vor ca. 11 Milliarden Jahren.

Hierzu sei erläutert: Unsere Milchstraße wiegt heute 1,5 Billionen, sprich 1.500 Milliarden Sonnenmassen. Eine Galaxie mit "nur" 50 Milliarden Sonnenmassen ist im Vergleich dazu also eine solche, die recht leicht zu "verspeisen" war. Da wir aber schon anhand des Beispiels der Whirlpool-Galaxie gesehen haben, das auch kleinere, unaufälligere Begleiter eine Galaxie in einen großen Erregungszustand versetzen können, muß das hier erforschte Ereignis vor 11 Milliarden Jahren keineswegs so unbedeutend gewesen sein als es auf den ersten Augenmerk anmuten mag. (Wir können es nicht unterlassen darauf hinzuweisen, daß auch kleingewachsene Ponyhengste hochbeinige Stuten in starke Erregung versetzen können.)

Der Astronomie-Satellit Gaia revolutioniert die Astronomie

"Aleramin" beendet seine Ausführungen in Teil 1 seines Beitrages mit den Worten (8):

Ist es nicht ungemein faszinierend, wie der Astronomie-Satellit Gaia die Astronomie revolutioniert? Zusammen mit den Daten anderer Kataloge wie des SDSS läßt sich Astro-Archäologie der Milchstraße betreiben und die Ausgrabungen in den Daten lassen die Relikte längst vergangener Ereignisse erkennen. Gaia ist viel mehr als ein einfacher Astrometriesatellit zur Messung von Sternörtern - sie ist eine Big-Data-Maschine, in deren Archiv noch viele Schätze auf ihre Ausgrabung warten. 

Aleramin faßt die Erkenntnisse des Teiles 1 einleitend im Teil 2 noch einmal folgendermaßen zusammen (8):

Im ersten Teil der Astro-Archäologie haben wir davon erfahren, daß ein englisches Forscherteam die Spuren einer Kollision der Milchstraße mit einer großen Galaxie in den Gaia-DR2-Daten gefunden hat, deren Sterne heute noch auf stark elliptischen Bahnen um das Zentrum der Milchstraße kreisen, die sie weit hinaus in deren Halo tragen.

Noch einmal: Trotz der kleinen Masse dieser Galaxie kann durchaus eine bedeutende Erregung für unsere Galaxie von ihr damals ausgegangen sein. Das behandelt Aleramin aber leider noch gar nicht besonders. Er führt dann über eine zweite Studie des Jahres 2018 aus, die einen weiteren Zusammenstoß vor 10 bis 9 Milliarden Jahren postuliert (8):

Aus dem Metallgehalt schließen die Autoren, daß die “blauen” Sterne aus einer Galaxie mit einer kleineren Sternentstehungsrate als die Milchstraße entstanden sind, die etwa 600 Millionen Sonnenmassen an Sternmasse (ohne Dunkle Materie) gehabt haben soll - etwa die Masse der Kleinen Magellanschen Wolke. Mit dunkler Materie wären es ca. 2,4 Milliarden Sonnenmassen, etwa 1/4 der mutmaßlichen Masse der dicken Scheibe der Milchstraße zur Zeit der Kollision (10 Milliarden Sonnenmassen), was ausgereicht haben dürfte, diese so aufzuheizen, wie wir sie heute vorfinden. Etwa 30.000 Sterne in der Sonnenumgebung gehören zur “blauen” Population. Bis zu 80% der Halosterne könnten auf diese Kollision zurückgehen, schätzt Autorin Helmi. Nicht weniger als 13 Kugelsternhaufen bewegen sich synchron zu den Sternen der eingefangenen Galaxie und dürften von ihr beigetragen worden sein. 

Die Worte "was ausgereicht haben dürfte, diese so aufzuheizen, wie wir sie heute vorfinden" deuten an, daß Aleramin sich durchaus bewußt ist, daß die interstellaren Gase eine bedeutende Anregung durch diese Verschmelzung erfahren haben. Es wäre dann eben noch zu fragen, wie sich das auf die Sternentstehungsrate in unserer Galaxie insgesamt - damals (oder bis heute) - ausgewirkt hat. Immerhin, unsere eigene Sonne wurde erst vor 4,7 Milliarden Jahren geboren, sicherlich aus einer vorhergehenden Sternengeneration, die als Supernova oder als Planetarische Nebel geendet haben. Aber diese vorhergehende Sternengeneration, die könnte doch von jenen Verschmelzungsprozessen vor 11 bis 9 Milliarden Jahren in ihrer Entstehung ausgelöst worden sein. Immerhin wäre das doch ein spannender Gedanke.

Die Autoren selbst benennen die hier behandelte Studie aus dem Jahr 2018 mit dem Titel "Der Zusammenstoß, der die Entstehung des inneren Sternenhalos und der dicken Scheibe der Milchstraße bewirkte" ("The merger that led to the formation of the Milky Way's inner stellar halo and thick disk"). Der Galaxie, die damals mit der Milchstraße verschmolzen ist, und die sie in einen erhöhten Erregungszustand versetzt hat, haben sie den Namen "Gaia Enceladus" gegeben. Gaia Enceladus, dürfen wir dir danken, daß du mitgewirkt hast an unserer Existenz? Gäbe es uns, wenn es dich nicht gegeben hätte?

Mit dem für uns zentralen Suchwort "Metallizität" stoßen wir aber auf eine noch neuere Forschungsstudie, in der die Milchstraße und ihre frühen Verschmelzungsereignisse durch Galaxien-Simulationen inzwischen weiter erforscht worden ist (9) (MPG 2020):

Um der hochgeordneten Rotation der Sterne in der Milchstraße zu entsprechen, müssen die simulierten Galaxien in den letzten 12 Milliarden Jahren eine sehr "ruhige" Verschmelzungsgeschichte gehabt haben.

Also kein herrischer Verschmelzungsprozeß wie in den Antennen-Galaxien. Wie schade. Aber die exzentrischsten Lebensäußerungen sind ja auch nicht immer diejenigen, die die nachhaltigsten Ergebnisse mit sich bringen. Kinderreiche Familien fallen auch in der Menschenwelt in der Regel am wenigsten durch Exzentrizität auf (sagen wir einmal: in Normalzeiten der Weltgeschichte zumindest). Wir lesen weiter (9):

Das heißt, daß keine massereiche Galaxie (größer als 10% der Masse der Milchstraße) in dieser Zeit mit der Galaxie verschmolzen sein kann. Die Begründung hierfür ist, daß die Bahnen ihrer Sterne durcheinander geraten, wenn eine massereiche Galaxie mit einer anderen verschmilzt. Dies würde zu einer weniger geordneten Bewegung und damit zu einer höheren Geschwindigkeitsdispersion führen. (...) Die Wissenschaftler des MPA können jetzt mit dieser Studie eine obere Grenze für die Masse von Gaia Enceladus angeben: Gaia Enceladus kann maximal 10% so massereich wie die Milchstraße gewesen sein, wahrscheinlich war ihre Masse aber nur 3% der Milchstraße.

Es ist spannend, wie hier die Forschung nach und nach voranschreitet. Und keineswegs zu langsam. Wir wollen uns vornehmen, solche Dinge hier auf dem Blog künftig im Auge zu behalten.

Junge Sterne - Sie sind aus der Asche alter Sterne entstanden

Nun noch einige weitere Überlegungen. Unsere Sonne ist aus der Asche früherer Sternengenerationen entstanden. Man wird fragen dürfen, wie vieler Sternengenerationen es eigentlich bedurfte, um die Metallizität unserer Sonne hervorzubringen. Aber es gibt auch einen Stern, der ist zwar nur 190 Lichtjahre von uns entfernt, dennoch aber schon 14,5 Milliarden Jahre alt. Er weist nur eine sehr geringe "Metallizität" auf ("HD 140283" - s. Wiki). Schon 1951 wurde beobachtet, daß er beträchtlich weniger Metalle aufweist als die Sonne (Wiki):

Moderne spektroskopische Analysen haben einen Anteil an Eisen vorgefunden, der um den Faktor 250 geringer ist als der Eisenanteil der Sonne.

Modern spectroscopic analyses find an iron content about a factor of 250 lower than that of the Sun.

Der Eisenanteil ist für die Astronomen in den Spektrallinien am leichtesten zu bestimmen. Der Massenanteil des Eisens an der Sonnenmasse beträgt etwa 0,16 %. Unsere Sonne ist 4,5 Milliarden Jahre alt. Das Alter von Sternen, die nur 0,04 % Eisenanteil aufweisen, wird auf 11,75 Milliarden Jahre geschätzt, das Alter von Sternen, die 0,4 % Eisenanteil aufweisen, wird auf 2,4 Milliarden Jahre geschätzt. Das Alter von Sternen, die 5 % Eisenanteil aufweisen, wird auf 550.000 Jahre geschätzt (Wiki). Schon hier wollen wir festhalten, daß es einen Anteil an schweren Elementen in unserer Galaxie und andernorts in unserem Weltall gibt, der in dieser Größe gar nicht notwendig war, um das Leben im Umkreis unserer Sonne hervorzubringen. Es gibt neuere Studien, die auf diesen Umstand auch noch auf andere Weise stoßen. Im nächsten Beitrag werden wir nämlich eine Forschungsstudie behandeln, nach der zu viele schwere Elemente in einem Stern keine erdähnlichen  Planten in seiner protoplanetaren Scheibe hervorbringen kann, sondern eher Gasriesen (siehe nächster Beitrag).

Allgemein heißt das jedenfalls: Es findet eine ständige Aufeinanderfolge der Neuentstehung von Sternen und Supernoven statt, nach denen aus der dabei entstehenden Asche neue Sterne entstehen, die dann einen höheren Anteil an Eisen aufweisen. Das scheint fast vorauszusetzen, daß das interstellare Medium, aus dem neue Sterne entstehen, insgesamt ständig durchmischt wird innerhalb einer Galaxie, daß also der Eisengehalt im interstellaren Medium insgesamt ständig wächst. Es scheint auch vorauszusetzen, daß das interstellare Medium insgesamt größtenteils die Asche früherer Sterne darstellt. Galaxien produzieren jedenfalls insgesamt in sich immer mehr schwere Elemente (Wiki):

Die Mehrzahl der Elemente im Universum, die schwerer sind als Wasserstoff und Helium ("Metalle"), werden während der Sternentwicklung im Innern der Sterne gebildet. Im Verlauf der Zeit verteilen Sternenwinde und Supernoven die Metalle in der näheren Umgebung, reichern damit das interstellare Medium an und stellen recyclebares Material zur Geburt neuer Sterne zur Verfügung.

Original: The majority of elements heavier than hydrogen and helium in the Universe ("metals", hereafter) are formed in the cores of stars as they evolve. Over time, stellar winds and supernovae deposit the metals into the surrounding environment, enriching the interstellar medium and providing recycling materials for the birth of new stars.

Was für ein Geschehen. Wir sind also in der Tat die "Kinder" vielfacher Wiedergeburten von Anteilen schwerer Elemente in Sternen. Wenn diese Wiedergeburten allerdings über das Ziel hinaus schießen, wie das seit Entstehung unserer Sonne und unserer Erde immer häufiger in diesem Weltall geschieht, scheint die Wahrscheinlichkeit, daß aus der dabei entstehenden Metallizität noch erdähnliche Planeten entstehen können, wieder zu sinken (siehe nächster Beitrag). Was für ein geradezu "unheimliches" Geschehen!!! Aber weiter (Wiki):

Unterschiede in dem Anteil chemischer Elemente in unterschiedlichen Sterntypen, basierend auf ihren Spektraleigenschaften, die später ihrer Metallizität zugeschrieben wurden, brachten den Astronomen Walter Baade 1944 dahin, zwei unterschiedliche Populationen von Sternen vorzuschlagen. Diese wurden bekannt als Population I (reich an Metallen) und Population II (arm an Metallen). Eine dritte Sternpopulation wurde 1978 als Population III eingeführt. Diese extrem metallarmen Sterne wurden theoretisch postuliert als die "erstgeborenen" Sterne, die in unserem Universum entstanden sind.

Original: Observed changes in the chemical abundances of different types of stars, based on the spectral peculiarities that were later attributed to metallicity, led astronomer Walter Baade in 1944 to propose the existence of two different populations of stars. These became commonly known as Population I (metal-rich) and Population II (metal-poor) stars. A third stellar population was introduced in 1978, known as Population III stars. These extremely metal-poor stars were theorised to have been the "first-born" stars created in the Universe. 

Wir haben also in Galaxien - und so auch in dem Orion-Spiralarm unserer Spiralgalaxie, in dem wir leben -  ein buntes Nebeneinander sowohl sehr junger wie sehr alter Sterne. Eine Galaxie ist also ein brodelnder Kessel von Sterngeburten, von langlebigen Sternen aber auch von Sternen, die sich in der Spät- und Endphase ihrer Existenz befinden, die vielleicht Überreste von Supernoven sind. Allerdings: Die meisten Sterne der Milchstraße - Rote Zwerge - sind schon vor langer Zeit entstanden, sie sind sehr alt und noch keiner von ihnen ist gestorben. Welchen "Zweck" sie wohl haben? Sie tragen nicht zur Metallizität einer Galaxie bei. Sie sind einfach nur "da". Womöglich dienen sie der Stabilität einer Galaxie? Ihrer Formgebung?

Die konkrete Frage für uns lautet allerdings weiterhin: Aus der Asche welcher Sonnen, welcher Sterne sind wir hervorgegangen? Gibt es diese Sterne noch? Im womöglich ausgebrannten Zustand als Weiße Zwerge? Sollten wir ihnen Dankbarkeit bezeugen, daß sie einstmals die Möglichkeiten unserer Existenz schufen, daß wir Sein von ihrem Sein waren in dem brodelnden Kessel ihrer Sternen-Schwangerschaft? Wo ist ganz konkret unser Mutterstern innerhalb unserer Muttergalaxie? Oder auch: Wie viele Muttersterne trugen zu unserer Existenz bei, wie viele Muttersterne besaßen und schufen einst jene schweren Elemente, aus denen unsere Sonne und unsere Erde entstanden sind? Diese Fragen konnten wir bislang in diesem Blogbeitrag noch gar nicht beantworten. Und sie scheinen so konkret auch beim derzeitigen Forschungsstand noch gar nicht beantwortbar zu sein. Es deutet sich aber an, daß die Forschung sich immer näher an konkrete Antworten heran tastet.

Unser Orion-Spiralarm

Die Milchstraße, unsere Heimatgalaxie ist 13,6 Milliarden Jahre alt. Unsere Sonne, die erst 4,5 Milliarden Jahre alt ist, ist also ein sehr junges Kind dieser Galaxie. Aber freilich gibt es auch Kinder, die noch viel jünger als unsere Sonne sind. Die meisten Sterne in unserer Galaxie (Rote Zwerge) sollen aber schon gleich zu Anfang in ihr entstanden sein.

Für einen Umlauf um das Zentrum braucht ein Galaxienarm - und somit auch unser Orionarm - 240 Millionen Jahre. Seit es einfaches, einzelliges Leben auf unserer Erde gibt, hat sich also unser Orionarm - und womöglich mit unserem Sonnensystem - erst vier mal um das Zentrum der Milchstraße gedreht.

In den 3,5 Milliarden Jahren davor, in der es unser Sonnensystem ebenfalls schon gab, hat sich unser Orion-Spiralarm also entsprechend zwölf bis 15 mal um das Zentrum gedreht.

Aber jene Sterne dieses Orionarmes, die heute am hellsten an unserem Nachthimmel erstrahlen, die Sterne des Sternbildes Plejaden, gibt es dort erst seit höchstens der Hälfte eines Umlaufs um das Zentrum der Milchstraße, nämlich erst seit 125 Millionen Jahren. Beteigeuze im Sternbild Orion ist gar erst 8 Millionen Jahre alt. In unserer Galaxie gibt es somit Sterne, die fast so alt sind wie das Universum selbst (oft unsichtbar, oft in vergleichsweise großer Nähe zur Sonne) und es gibt Sterne, die erst 8 Millionen Jahre alt sind. 

Höhere Metalliziät erleichtert die Bildung kleinerer Sterne

Abschließend sei noch einmal der Astrophysiker Josef M. Gaßner zitiert. Er erklärt mit Hilfe der Strahlungskühlung die Auswirkung der Metallzität einer Molekülwolke auf die Art der Sternentstehung in ihr ("St., Weltall u. d. Leb." 2017):

Der entscheidende Einfluß der Metallizität eines Sterns auf seine Lebensdauer geschieht bereits bei der Entstehung. Schwere Elemente und deren Molekülverbindungen bieten eine Menge unterschiedlicher Energieniveaus, die angeregt werden können und anschließend durch Strahlungsemission wieder in den Grundzustand fallen. Diese Strahlung kann aus einer kollabierenden protostellaren Wolke entweichen und bestimmt somit entscheidend die Kühlung. Effektive Kühlung führt dazu, daß auch kleinere Wolkengebiete erfolgreich zu Sternen kollabieren. Umgekehrt benötigen Wolken niedriger Metallizität extreme Massen um die weniger effektiv gekühlten Bereiche mit brachialer Gravitationsgewalt doch noch zum Stern zu zwingen ... 

Wir lernen damit: Die Metallizität einer Molekülwolke hat Einfluß auf die größere oder geringere Wahrscheinlichkeit, mit der in ihr Sternen entstehen. In der Urzeit des Universums und seiner Galaxien bedurfte es also viel größerer Molekülwolken, um Sterne entstehen zu lassen als in späteren Zeiten. Gaßner weiter:

Ergo: niedrige Metallizität führt zu massereichen Sternen, die nur kurz leben, weil ihre Temperatur im Inneren das Fusionskarussell kräftig drehen - insbesondere auch den CNO-Zyklus. Hohe Metallizität ermöglicht massearme Sterne, die ihren Brennstoff vergleichsweise sparsam verheizen und lange leben....

Mit letzteren sind wohl insbesondere auch Rote Zwerge gemeint, von denen noch keiner bislang im Universum ausgebrannt ist, und von denen sich viele in der stellaren "Umgebung" unseres Sonnensystems befinden. 

Was für ein grandioses Bild, was für ein grandioser Vorlauf, um in einem Universum "habitable" Zonen zu schaffen.

In einem weiteren, vierten Beitrag unserer Reihe "Wir sind Sternenstaub" wollen wir einigen angerissenen Fragen in diesem Fragenkreis noch vertiefter nachgehen.

Wir bewegen uns mit diesen Beiträgen ganz auf den Spuren des großen deutschen Philosophen Immanuel Kant, der sein Buch "Kritik der prakischen Vernunft" 1788 mit den Worten abgeschlossen hat (Zeno):

"Zwei Dinge erfüllen das Gemüt mit immer neuer und zunehmender Bewunderung und Ehrfurcht, je öfter und anhaltender sich das Nachdenken damit beschäftigt: Der bestirnte Himmel über mir und das moralische Gesetz in mir. Beide darf ich nicht als in Dunkelheiten verhüllt, oder im Überschwenglichen, außer meinem Gesichtskreise, suchen und bloß vermuten; ich sehe sie vor mir und verknüpfe sie unmittelbar mit dem Bewußtsein meiner Existenz. Das erste fängt von dem Platze an, den ich in der äußern Sinnenwelt einnehme, und erweitert die Verknüpfung, darin ich stehe, ins unabsehlich-Große mit Welten über Welten und Systemen von Systemen, überdem noch in grenzenlose Zeiten ihrer periodischen Bewegung, deren Anfang und Fortdauer. Das zweite fängt von meinem unsichtbaren Selbst, meiner Persönlichkeit, an, und stellt mich in einer Welt dar, die wahre Unendlichkeit hat, aber nur dem Verstande spürbar ist, und mit welcher (dadurch aber auch zugleich mit allen jenen sichtbaren Welten) ich mich nicht, wie dort, in bloß zufälliger, sondern allgemeiner und notwendiger Verknüpfung erkenne. Der erstere Anblick einer zahllosen Weltenmenge vernichtet gleichsam meine Wichtigkeit, als eines tierischen Geschöpfs, das die Materie, daraus es ward, dem Planeten (einem bloßen Punkt im Weltall) wieder zurückgeben muß, nachdem es eine kurze Zeit (man weiß nicht wie) mit Lebenskraft versehen gewesen. Der zweite erhebt dagegen meinen Wert, als einer Intelligenz, unendlich, durch meine Persönlichkeit, in welcher das moralische Gesetz mir ein von der Tierheit und selbst von der ganzen Sinnenwelt unabhängiges Leben offenbart, wenigstens so viel sich aus der zweckmäßigen Bestimmung meines Daseins durch dieses Gesetz, welche nicht auf Bedingungen und Grenzen dieses Lebens eingeschränkt ist, sondern ins Unendliche geht, abnehmen läßt."

Sogar schon der Blick in die Sterne läßt uns heute unsere Existenz nicht mehr bloß in ihrer zufälligen, sondern ebenfalls auch in ihrer allgemeinen und notwendigen Verknüpfung erkennen. Mit wie viel mehr Berechtigung können wir dann auf die Erfüllung der zweiten Verheißung von Immanuel Kant hoffen, das moralische Gesetz in uns, das uns leitet - oder leiten sollte - immer besser und besser verstehen zu lernen. 

Ergänzung, 10.6.21: Auch "Spektrum der Wissenschaft" hat sich des Themas inzwischen angenommen. Es ist hier sogar von einem "Lebenszyklus der Galaxien" die Rede (10). Worauf sich hier das Wort "Lebenszyklus" bezieht, wird in diesem Podcast aber noch gar nicht so recht klar. Es sind hier wohl eher die Lebenszyklen einzelner Sterne und Sterngenerationen gemeint, die sich innerhalb der Galaxien vollziehen.

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Anmerkung 1: Über die Arbeit des Hamburger Astronomen Walter Baade (1893-1960) in den USA während des Zweiten Weltkrieges ist zu erfahren (Wiki):

Baade untersuchte die Strukturen der Milchstraße und entdeckte, daß unsere Galaxis aus Sternen zweier unterschiedlicher Populationen besteht.

Die entsprechende Arbeit veröffentlichte Baade 1944.  Heute weiß man, daß es prinzipiell drei unterschiedliche Stern-Populationen gibt. Die älteste als "Population III" benannte wird aber nur theoretisch angenommen aufgrund der Zusammensetzung der ältesten Sterne der "Population II", Beobachtungsdaten liegen zu "Population III" noch nicht vor (Wiki):

Bereits kurz nach dem Urknall gab es Sterne, die aufgrund ihrer großen Masse schnell in Paarinstabilitätssupernovae endeten und dabei jene Metalle bildeten und in den Raum schleuderten, die sich schon in den ältesten Sternen der Populationen II finden. Sollten damals auch vereinzelt massearme Sterne gebildet worden sein, so werden sie als kalte Zwerge die noch hypothetische Population III bilden.

Über die hier erwähnte zweitälteste Sternenpopulation II erfahren wir (Wiki): 

Sterne der Population II sind an ihrer geringeren Metallizität zu identifizieren (...). Sie sind überwiegend älter als sechs Milliarden Jahre und finden sich, oft in Kugelsternhaufen, im ausgedehnten galaktischen Halo, dessen Dichte zum galaktischen Zentrum hin zunimmt.

Über die jüngste Sternen-Population I ist zu erfahren (Wiki):

Im Band der Milchstraße, der galaktischen Scheibe, gehören die meisten Sterne zur Population I. Dies sind relativ junge, stabil leuchtende Sterne, die sich auf annähernden Kreisbahnen um das galaktische Zentrum bewegen, meist in den Spiralarmen. Sterne der Population I enthalten einen relativ hohen Anteil schwerer Elemente, die in früheren Sterngenerationen entstanden sind und Metalllinien im Spektrum verursachen.

 

/ Ergänzt 7.3.2022 /

// Dies ist der dritte Beitrag in unserer 

Blogartikel-Serie "Wir sind Sternenstaub"

 Die anderen Beiträge:

 1. (2020), 2. (2020), 3. (2020), 4. (2021) , 5. (2021) //

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1. Rauchhaupt, Ulf von: Tanz der Welten. FAZ, 26.10.2018, https://www.faz.net/aktuell/wissen/weltraum/tanz-der-welten-wenn-galaxien-kollidieren-15852274.html
2. Struck, Curtis: Galaxy Collisions. Forging New Worlds from Cosmic Crashes. Springer Praxis Books. 2011 (Amazon) 
3. Reichard, T.A.; Heckman, T.M. (January 2009). "The Lopsidedness of Present-Day Galaxies: Connections to the Formation of Stars, the Chemical Evolution of Galaxies, and the Growth of Black Holes". The Astrophysical Journal. 691 (2): 1005–1020. arXiv:0809.3310. doi:10.1088/0004-637X/691/2/1005
4. Tremonti, C. A. et al. 2004, ApJ, 613, 898, https://iopscience.iop.org/article/10.1086/423264.
5. Guillermo Gonzalez, Donald Brownlee, Peter Ward: The Galactic Habitable Zone: Galactic Chemical Evolution. In: Icarus. Band 152, 2001, S. 185–200, https://arxiv.org/abs/astro-ph/0103165.
6. Gonzalez, Guillermo: The Priviledged Planet. How our place in the Universe was designed for discovery. 2004
7. Alderamin: Gab es den Urknall wirklich? In 7 Teilen. "Alpha Cephei"-Scienceblog, 2019, https://scienceblogs.de/alpha-cephei/2019/03/27/gab-es-den-urknall-wirklich-uebersicht/.
8. Alderamin: Galaktische Astro-Archäologie mit Gaia, 2018, https://scienceblogs.de/alpha-cephei/2018/11/11/galaktische-astro-archaeologie-mit-gaia-teil-1/, https://scienceblogs.de/alpha-cephei/2018/11/22/galaktische-astro-archaeologie-mit-gaia-teil-2/.
9. Fragkoudi, Francesca: Unsere Milchstraße - keine typische Spiralgalaxie, 1. Januar 2020, https://www.mpa-garching.mpg.de/799158/hl202001.
10. Marc Zimmer und Mike Beckers: Wie Sterne und Galaxien entstehen - Lebenszyklus der Galaxien, Spektrum-Podcast, 4.6.21, https://www.spektrum.de/podcast/spektrum-podcast-wie-sterne-und-galaxien-entstehen/1881106
11. Aaron S. Evans und Lee Armus: Wenn Galaxien kollidieren - Im Kosmos stoßen immer wieder Galaxien zusammen - mit dramatischen Folgen. Neue Erkenntnisse über solche Vorgänge enthüllen, 16.2.2022, https://www.spektrum.de/magazin/wenn-galaxien-kollidieren/1974532
    

"Ähnlich den Kokon's der Insekten"

Sternentstehungstheorien und ihre empirische Überprüfung

- Ein Blick in die Kinderstube von Sternen und Sternhaufen - 1994 ist er erstmals möglich geworden*)

 / Zweiter Beitrag aus unserer Blogartikel-Serie "Wir sind Sternenstaub" /

In einem Beitrag vor einigen Tagen (1) war hingewiesen worden darauf, wie die Wissenschaft heute das Entstehen der chemischen Elemente, die schwerer als Lithium sind, glaubt, erklären zu können. Damit ist aber noch nicht die Frage geklärt, wo und wie konkret die Vielzahl genau jener chemischen Elemente entstanden sind, die wir hier auf unserer Erde und in unserem Sonnensystem finden.

Abb. 1: Die Kinderstube eines künftigen Sternhaufens in der Milchstraße (ein sogenanntes "Bok-Globule"), hier mit dem Spitzname "Caterpillar" ("Raupe") - Seine leuchtenden Ränder legen eine Photoionisation durch die heißesten Sterne innerhalb des entstehenden Sternenhaufens nahe (NASA 2007) (Wiki)

Indem wir dieser Frage nachgehen, geraten wir in ein Feld aktueller astronomischer und astrophysikalischer Forschung, das man in der üblichen Wissenschaftsberichterstattung Jahrzehnte lang gar zu leicht hat übersehen können. Und doch geht es hier um die Erforschung der Grundlagen unserer Existenz. Und es gibt auf diesem Gebiet in der Wissenschaft der letzten Jahrzehnte stürmische Fortschritte in dem Verstehen der sich hier abspielenden Vorgänge. Das wird einem allerdings noch nicht bewußt, wenn man sich dazu die Theorien auf Wikipedia zur Entstehung unseres Sonnensystems ansieht ... (Wiki). ... Man ist beim derzeitigen Inhalt dieses Wikipedia-Artikels zunächst verwundert: Das soll eine gute physikalische Theorie sein? Unser Sonnensystem wäre entstanden aus einer diffusen "Urwolke", wie sie schon von Immanuel Kant angenommen worden war? Und mehr sollten wir heute nicht darüber wissen? Aber dann stößt man weiter unten im Artikel auf den Verweis zu dem Wikipedia-Artikel "Protoplanetare Scheibe". Hier liest man nun doch einigermaßen verwundert weiter (Wiki):

"Die ersten protoplanetaren Scheiben wurden 1994 von C. Robert O’Dell und Mitarbeitern mit dem Hubble-Weltraumteleskop im Orionnebel beobachtet; in diesem Sternentstehungsgebiet sind etwa 50% aller jungen Sterne von einer protoplanetaren Scheibe umgeben. 1998 wurde erstmals eine Scheibe um einen massiven Stern gefunden."

Das erstaunt. Die Wissenschaftler wissen also doch schon allerhand mehr - inzwischen - als zunächst zu ahnen war. Bilder von solchen Protoplanetaren Scheiben findet man auch in einem Astronomischen Kurzvortrag von Professor Ralf Klessen von der Universität Heidelberg aus dem Jahr 2011 (4). Von dem Wikipedia-Artikel "Protoplanetare Scheibe" kann man sich weiter leiten lassen zu dem Wikipedia-Artikel "Sternentstehungsgebiet", wissenschaftlich benannt "H-II-Gebiet" (Wiki):

"Ein Sternentstehungsgebiet (H-II-Gebiet, gesprochen Ha zwei, H für Wasserstoff) ist eine interstellare Wolke aus leuchtendem Gas mit einem Durchmesser von manchmal mehreren hundert Lichtjahren, in der die Sternentstehung stattfindet." 

Wer hätte davon schon jemals gehört? Finden wir uns zunächst einmal mit den Örtlichkeiten zurecht. Denn da gibt es ja gedanklich erst einmal einiges einzuordnen. Zunächst einmal hinsichtlich der Größenverhältnisse, von denen hier die Rede ist: Die Milchstraße hat einen Durchmesser von 200.000 Lichtjahren und eine Dicke von 1.000 Lichtjahren. Die Dimensionen, von denen hier die Rede ist ("mehrere hundert Lichtjahre"), sind also deutlich kleiner als eine durchschnittliche Galaxie im Durchmesser. Aber immerhin, mit der Dicke der Milchstraße kommen wir diesen Dimensionen schon nahe. Aber fangen wir noch einmal von der anderen Seite her an, die Größenverhältnisse einzugrenzen und verständlicher zu machen: Die "Oortsche Wolke", das nächstliegende Phänomen außerhalb der äußersten Planetenbahnen unseres Sonnensystems, in dem es sich befindet, ist bis zu 1,6 Lichtjahre von unserer Sonne entfernt.

Also selbst wenn wir mit der Schnelligkeit des Lichtes reisen könnten, also mit der höchsten Geschwindigkeit, die in diesem Universum möglich ist, bräuchten wir immer noch: eineinhalb Jahre, um bis zur Außengrenze der Oortschen Wolke zu gelangen. Wenn wir mit einem Viertel Lichtgeschwindigkeit reisen würden können, bräuchten wir schon sechseinhalb Jahre. Wenn wir mit einer Geschwindigkeit von 37.500 Kilometern in der Sekunde reisen könnten, bräuchten wir 13 Jahre. 2006 hat die schnellste Sonde, die Menschen jemals von unserer Erde hinweg gesendet haben, gerade einmal eine Geschwindigkeit von 16 Kilometern pro Sekunde gehabt. Neun Jahre später, 2015, hatte sie den Planeten Pluto erreicht (Wiki). Ade, Oortsche Wolke, es wird noch lange dauern, bis Menschen dich innerhalb ihrer eigenen Lebenszeit werden erreichen können.

Der nächste Stern aber nun - Proxima Centauri - ist 4,2 Lichtjahre von uns entfernt. Innerhalb von 16 Lichtjahren Abstand von unserem Sonnensystem liegen etwa 63 Sterne (Wiki). Nur 9 von diesen 63 Sternen sind etwa so groß wie unsere Sonne und deshalb mit bloßem Auge sichtbar. Die anderen 50 sind Rote Zwerge, die Dreiviertel der Sterne unserer Milchstraße ausmachen, und die so schwach leuchten, daß mit bloßem Auge kein einziger von ihnen am Himmel gesehen werden kann. Zu diesen Roten Zwergen gehört auch Proxima Centauri. Rote Zwerge haben zwischen 7 und 60 % der Masse unserer eigenen Sonne.

Innerhalb von 50 Lichtjahren Abstand finden sich dementsprechend knapp 1000 Sterne im Umkreis (Wiki), aber in ähnlicher zahlenmäßiger Zusammensetzung, das heißt, nur etwa hundert Sterne von diesen sind mit bloßem Auge sichtbar. Auch hier sind wir noch nicht in dem Größenbereich angekommen, von dem bezüglich eines "Sternentstehungsgebietes" die Rede sein könnte.

Die "Lokale Blase", unsere Heimatregion in der Milchstraße

Schließlich ist aber zu finden: 300 Lichtjahre Durchmesser hat die sogenannte "Lokale Blase" (Wiki), in der sich seit einigen hunderttausend oder Millionen Jahren unser Sonnensystem befindet. (Es ist interessanterweise noch gar nicht sicher bekannt, welchen Weg unser Sonnensystem in den letzten 4,5 Milliarden Jahren durch die Milchstraße gemacht hat oder ob es immer in demselben Galaxienarm verortet geblieben ist.) Diese Lokale Blase gehört zum Orion-(Spiral-)Arm der Milchstraße. Dieser ... (Wiki) ...

... zeichnet sich durch eine Reihe heißer Sterne der Klassen O und B aus, die überwiegend zum Sternbild Orion gehören. Aus diesem Grund erhielt er seinen Namen Orionarm.

Wenn wir also das Sternbild Orion sehen und seine hell leuchtenden Sterne, dann können wir zugleich den Spiralarm unserer Muttergalaxie mit hinzu denken, zu dem wir mit dem Orion gehören. Auch die Sterne des Sternbilds Plejaden gehören zum Orionarm. Sie sind 444 Lichtjahre entfernt. Beteigeuze, der Stern links oben im Orion ist 640 Lichtjahre entfernt, Rigel, der rechte Fußstern des Orion, ist 770 Lichtjahre entfernt, Alnitak, der linke Gürtelstern des Orion, 800 Lichtjahre. Der Orionnebel ist 1.350 Lichtjahre entfernt, der dort ebenfalls lokalisierte Pferdekopfnebel 1500 Lichtjahre. Das sind alles dann schon Sterne außerhalb unserer Lokalen Blase.

"Superblasen" nach Art unserer "Lokalen Blase" finden sich allerdings unzählige innerhalb unseres Universums (Wiki):

Das Sonnensystem liegt in der Nähe des Zentrums einer alten Superblase, die "Lokale Blase" genannt wird, und deren Grenzen erzeugt werden durch das plötzliche Anwachsen von Staubbeseitigung um außen liegende Sterne, die weiter von uns entfernt sind als einige hundert Lichtjahre.

The Solar System lies near the center of an old superbubble, known as the Local Bubble, whose boundaries can be traced by a sudden rise in dust extinction of exterior stars at distances greater than a few hundred light years. 

Das Alter dieser "Lokalen Blase" um uns herum, eines weitgehend staubfreien Gebietes um unser Sonnensystem, ist, wie zu erfahren ist, nicht so alt wie unser Sonnensystem selbst. Es soll vielmehr eine Supernova oder mehrere derselben in den letzten 100 Tausend oder 20 Millionen Jahren in unserer "galaktischen Nähe" gewesen sein, die diese "Lokale Blase" staubfrei gefegt hat. Vermutet wird eine in 800 Lichtjahren Entfernung (Wiki). Der Ort dieser Supernova - der heutige Pulsar Geminga - wurde 1972 entdeckt. Seine Natur wurde aber erst in den 1990er Jahren besser verstanden. Als Ursache für die "Staubfreiheit" unserer Lokalen Blase wird aber seit 2002 auch eine Reihe von Supernova-Explosionen in der Sterngruppe der Plejaden vermutet (Wiki) (7).

Aber wenn diese "Staubfreiheit" um uns herum nicht zwangsläufig als "Normalfall" anzusehen sein muß, stellt sich ja auch die Frage: Konnten denn die Dinosaurier schon genauso "staubfrei" in den Nachthimmel blicken wie wir? Zu dem Gegenteil von "Staubfreiheit", zu "Dunkelwolken" lesen wir in der Tat (Wiki):

Wenn das Sonnensystem durch einen solchen Nebel driften sollte, könnte der kosmische Staub das Licht der Sterne verdunkeln.

Es scheint also beim derzeitigen Kenntnisstand gar nicht sicher zu sein, ob die Dinosaurier die Sterne hätten sehen können (wenn sie sie denn hätten sehen wollen). (Aber sollte nicht die Evolution der Zugvögel, die sich nach den Sternen richten, uns Auskunft geben können darüber, ob in früheren Erdzeitaltern Sterne sichtbar waren? Dann wäre zu fragen, wie lange auf der Erde es Zugvögel eigentlich gibt.) Manche Forscher vermuten sogar noch mehr (Wiki):

Eine Dunkelwolke mit einer Dichte von 100 bis 300 Molekülen pro cm³ könnte die Heliosphäre stark zusammendrücken, wodurch ihre Materie bis ins Innere des Sonnensystems gelangen und sogar die Sonne verdunkeln könnte. Dies könnte die Photosynthese stören oder verunmöglichen. Einige Forscher vermuten einen derartigen "Nebel-Winter" hinter vergangenen Eiszeiten und Massensterben.

Gut, sichere Kenntnisse gibt es dazu offenbar noch nicht. Ganz allgemein ist zu "Molekülwolke" noch das folgende sehr Interessante zu erfahren (Wiki): 

Wenn die Wolke dicht genug ist, können sich viele Arten von Molekülen bilden, bis hin zu komplexen Aminosäuren. (...) Ab Mitte der 1960er Jahre wurde mit Radioteleskopen eine Vielzahl von Molekülen im interstellaren Medium nachgewiesen. (...) Inzwischen sind über 150 unterschiedliche Moleküle in Molekülwolken entdeckt worden, wie z. B. Wasser (H2O), Cyanwasserstoff (HCN) oder Ethanol. Kohlenmonoxid ist von besonderer Bedeutung für die Erforschung der Molekülwolken, weil man auf Grund des CO/H2-Verhältnisses die Masse einer solchen Wolke bestimmen kann.

Aber stoppen wir unseren Wissensdrang kurz einmal ein wenig ab und schauen zurück: Worauf sind wir eigentlich gestoßen, als von "Lokaler Blase" die Rede war? Ist diese "Lokale Blase" nicht die eigentliche Heimat in unserer Galaxie? Warum sprechen wir immer nur von "unserem Sonnensystem" und nicht davon, daß unser Sonnensystem - wahrscheinlich (das sehen wir gleich weiter unten) - Teil eines Sternenhaufens ist, unprosaisch "Lokale Blase" genannt, dessen Sterne - womöglich - alle gleichzeitig zu Sternen so wie die Sonne geworden sind, und dessen "Umhüllung" - womöglich - erst vor 100 Tausend oder 20 Millionen Jahren staubfrei gefegt worden ist (oder womöglich auch "wieder" staubfrei gefegt worden ist). - Aber wir werden in diesem und weiteren Beiträgen noch sehen, daß all diese Fragen noch keineswegs irgendwie abschließend geklärt sind. Aber womöglich werden wir in den nächsten Jahren eine definitivere Klärung erfahren, begann doch das "Goldene Zeitalter der Astronomie" gerade erst mit der Veröffentlichung der Daten des Forschungssatelliten "Gaia" - wie wir noch sehen werden.

"Sternentstehungsgebiete"

Jene Supernovi in unserer eigenen Lokalen Blase, die diese Staubfreiheit bewirkt haben, hätten auf jeden Fall nicht die Ausgangsbasis für unser eigenes Sonnensystem bilden können, denn dazu wären sie ja viel zu jung. Aber welche waren es dann? Und wie viele mußten aufeinander folgen, damit wir entstehen können? Solche Fragen leiten uns im folgenden. Um zu Antworten auf diese Fragen zu kommen, müssen wir - offenbar - weite Umwege gehen und gelangen dabei womöglich auch an die derzeitigen Grenzen der aktuellen Forschung. So schnell jedenfalls kriegen wir hier die Zusammenhänge nicht zusammen gesetzt. Schauen wir uns erst einmal an, was ganz allgemein über die Kinderstuben von Sonnen und Planetensystemen außerhalb unseres eigenen Sonnensystems bekannt ist. Schon hier sind höchst erstaunliche Dinge zu erfahren (Wiki):

"Einige Sternentstehungsgebiete (H-II-Gebiete) sind so hell, daß man sie schon mit bloßem Auge sehen kann. Jedoch wurde ihnen vor der Erfindung des Teleskops im frühen 17. Jahrhundert kaum Beachtung geschenkt." "Im frühen 20. Jahrhundert bemerkte man, daß die H-II-Gebiete meist heiße helle Sterne enthalten. Diese haben ein Vielfaches unserer Sonnenmasse und sind die kurzlebigsten Sterne mit nur wenigen Millionen Jahren Lebensdauer (zum Vergleich: Unsere Sonne lebt etwa 10 Milliarden Jahre). Es wurde bald vermutet, daß in den H-II-Gebieten neue Sterne entstehen: Über einen Zeitraum von mehreren Millionen Jahren bildet sich ein Sternhaufen aus einer H-II-Region, bevor der Sternwind der heißen jungen Sterne den Nebel zerstreut. Die Plejaden sind ein Beispiel solch eines Haufens, der seine H-II-Gasnebel, aus denen er entstanden ist, schon großteils weggeblasen hat. Nur ein kleiner Rest von ihnen blieb als Reflexionsnebel erhalten."

Die Plejaden, die Plejaden. Das macht uns jetzt aber neugierig ... (Wiki): 

Der Sternhaufen (...) umfaßt mindestens 1200 Sterne und ist etwa 125 Millionen Jahre alt. 

125 Millionen Jahre alt? Erst? Dann ist er ja wiederum viel jünger als man eigentlich so ohne weiteres hätte erwarten können. Er entstand ja dann erst auf dem Höhepunkt der Dinosaurierzeit! Aber wie hat man das Alter herausbekommen? Wir lesen (Wiki):

Das Alter von Sternenhaufen kann geschätzt werden, indem man das Hertzsprung-Russell-Diagram dieses Haufens mit theoretischen Modellen zur Sternenentwicklung vergleicht. Indem man diese Technik benutzt, wurde für die Pleiaden ein Alter zwischen 75 Millionen und 150 Millionen Jahren geschätzt.

Ages for star clusters can be estimated by comparing the Hertzsprung-Russell diagram for the cluster with theoretical models of stellar evolution. Using this technique, ages for the Pleiades of between 75 and 150 million years have been estimated.

Der Autor dieser Zeilen wußte bislang nicht, daß wir am Himmel heute Sterne sehen, die man in der Frühzeit der Dinosaurier noch gar nicht sehen konnte! Er dachte, die Sterne am Himmel sind im Allgemeinen so alt oder älter als die Sonne. Noch einmal in anderen Worten (Wiki):

In H-II-Gebieten entstehen meist tausende neuer Sterne in einer Zeitperiode von einigen Millionen Jahren. Am Ende führen jedoch Sternwinde der massereichsten Sterne oder vereinzelte Supernova-Explosionen dazu, daß das Gas des H-II-Gebietes zerstreut wird. Zurück bleibt ein Offener Sternhaufen wie die am Winterhimmel sichtbaren Plejaden.

Also ist womöglich auch unsere "Lokale Blase" auf diese Weise entstanden? Vorerst müssen wir das als Frage im Raum stehen lassen.

Sternentstehung - Sie findet nicht in der "Öffentlichkeit" statt

Aber legen wir das Augenmerk noch einmal auf diesen Umstand, nämlich daß die Geburt eines Sternes nicht in der Öffentlichkeit statt findet (Wiki):

"Die Geburt eines Sternes in einer H-II-Region wird durch dichte Wolken und Staub um entstehende Sterne verdeckt."

In dichte Wolken und Staub ist also (auch) "unsere" Geburtsstunde eingehüllt. Die Sternenhaufen machen also - offenbar - ein Geheimnis aus dem, was in ihrem Inneren geschieht. Sie "zaubern". Sie sind "schamhaft". Sie verbergen das Kostbarste (Wiki):

"Nur wenn der Sternenwind seinen 'Kokon' wegweht, wird der Stern sichtbar."

Erst wenn die Sterne also Sterne sind, wird die verhüllende Hülle abgeworfen, weggefegt. Sie werden in aller Pracht der "Öffentlichkeit", der Welt sichtbar. So wie die Plejaden - oder wie die Gürtel- und Schwertsterne im Orion. Sie sprechen dann: "Seht her, da sind wir. Und wir strahlen, strahlen, strahlen, funkeln und sprühen." Man fühlt sich hier fast an das Aufblühen von Blumen erinnert. Man fühlt sich an die Verhüllung der Blüte in Knospen erinnert. Und an viele ähnlich anmutende Erscheinungen in der Biologie, an Vorgänge von Scham und Verhüllung einerseits und Enthüllung und Pracht andererseits.

Ist das nicht alles Grund genug zu sagen: Du Mensch, der du durch die Gassen schreitest, hast allerhand Gründe, vor den Sternen Achtung zu haben - ? Denn sie, die Sterne, "sehen dich" - ? Auch wenn du nicht zu ihnen aufschaust? Sie haben nämlich auch ihr eigenes "Leben". Sie sehen dich und - womöglich sogar: deine - - - Schamlosigkeit. Denn ihr eigenes Leben ist ja in der Frühphase in geheimnisvolle Schamhaftigkeit gehüllt. Sie wissen deshalb um Schamhaftigkeit, um Umhüllung bei der Zeugung, bei der Geburt, und zwar nicht nur neuer Lebewesen, neuer Blüten und Früchte, sondern sogar: neuer Welten, neuer Grundlagen für etwaiges Leben.

Du Mensch, wenn Du durch die Gassen schreitest, weißt Du dich - womöglich - zu benehmen - "im Angesicht der Sterne"? Erzeigst Du Dich unserer würdig? Bist Du würdig, uns in all unserer Entschleierung sehen zu dürfen? In all unserer Pracht und Herrlichkeit? Uns alle, uns "junge" Sterne in unserer Pracht, mit unserem Glitzern und Glänzen aus der Dinosaurierzeit - ?

Was Hoimar von Ditfurth noch nicht wußte ...

Ja, man versteht es schon, warum man in Jugendzeiten nichts von diesen Dingen erfahren hat, die man hier auf Wikipedia jetzt zu seiner eigenen Überraschung zum ersten mal entdeckt. Warum man nichts von ihnen erfahren hat, obwohl man doch eine breite naturwissenschaftliche Grundbildung genossen hatte. Man versteht es schon, warum die Physiker der 1980er Jahre, auch die philosophisch Interessierten, einem davon nicht gar so viel erzählt haben. Warum man davon noch so wenig hat lesen können in "Im Anfang war der Wasserstoff" oder in "Kinder des Weltalls" von Hoimar von Ditfurth. Hoimar von Ditfurth starb 1989. Und erst 1990 gab es den empirischen Beleg dafür, daß die Geburtsstätten der Sterne in Dunkel gehüllt sind. Erst 1990. 

Immerhin, Hoimar von Ditfurth hatte 1970 in dem Kapitel "Der Stoff, aus dem wir bestehen" in seinem Buch "Kinder des Weltalls" (8) schon einen Überblick gegeben über die Entstehung der schweren Elemente im Innern von Sternen - nach damaligem Forschungsstand. Viele Erkenntnisse diesbezüglich waren damals noch ganz neu, zum Teil auch viel ungesicherter als sie heute sind.

Aber warum werden dem Autor dieser Zeilen - und womöglich auch dem Leser - erst jetzt, 30 Jahre später diese Dinge wichtig, viel wichtiger als damals, als man es zum ersten mal las? Weil die ganze Welt - womöglich - in Irrsinn versunken ist? Im Jahr 2020? Und weil auch von dem Autor dieser Zeilen immer und immer wieder erwartet wird, daß er sich mit Irrsinn beschäftigt, statt mit dem Erhabenen, Großen, Wertvollen, Prächtigen, Glänzenden, Funkelnden und Geheimnisvollen, mit dem sternenübersäten Nachthimmel? Hat irgendetwas anderes Sinn, als sich mit dieser erhabenen Pracht zu beschäftigen? In "heutigen Zeiten"? Wer möchte das gar so kühn und schlankweg behaupten in einer Welt, die dem reinen Irrsinn verfallen ist und ihm immer mehr verfällt. Also noch einmal, wohlgemerkt:

"Die ersten protoplanetaren Scheiben wurden 1994 von C. Robert O’Dell und Mitarbeitern mit dem Hubble-Weltraumteleskop im Orionnebel beobachtet."

Was hat der Autor dieser Zeilen im Jahr 1994 gemacht, daß diese und ähnliche Entdeckungen an ihm hatten vorbei gehen können und ihm seither niemals mehr hatten bedeutsam werden können? In welchen dunklen Gassen war er unterwegs, mit Blick zum Boden anstatt zu den Sternen? In welcher Schamlosigkeit war er befangen, in welcher Niedertracht und Nichtbeachtung der Sterne? Ja, ihr Sterne, verhüllt eure Häupter. Ist denn damit nicht schon genug von der Schande angedeutet worden? Von der Schande, die Sterne nicht beachtet zu haben? Ja, genug, übergenug. Wir wollen lieber mit Hölderlin sprechen:

"Wär ich mit Themistokles aufgewachsen, hätt ich unter den Scipionen gelebt, meine Seele hätte sich wahrlich nie von dieser Seite kennen gelernt."

Von dieser Nachtseite der Welt, die die Sterne Sterne sein läßt. Wie darf sie das? Unsere Seele hätte schon vor 30 Jahren von diesen faszinierenden Erkenntnisfortschritten in der Wissenschaft Kenntnis nehmen können und die Augen zu den Sternen richten können, anstatt - anstatt sich mit so viel überbordender Blödsinnigkeit während unserer eh nur viel zu kurzen Lebenszeit zu beschäftigen. Wenn unsere Seele einstmals auf dem Sterbebett liegt, wenn sie auf dem Totenbett liegt, dann lasse sie sich von dem Ursprung der Sterne erzählen, von den wabernden Gaswolken, von den geheimnisvollen und von ihrem geheimnisvollen Wirken. Davon zu wissen ist genug. Mehr als genug. Es ist das ein erhabenes Thema, um dessentwillen gelebt zu haben, genügt. Was über die Kindheit der Menschen zu sagen ist, ist das nicht noch um so viel mehr von der Kindheit unserer Welt, also von der Kindheit der Sterne zu sagen?

"Da ich noch ein stilles Kind war und von dem allem, was uns umgibt, nichts wußte, war ich da nicht mehr, als jetzt, nach all den Mühen des Herzens und all dem Sinnen und Ringen?"

So Friedrich Hölderlin in seinem Roman "Hypierion". Und auch ebenda:

"Ruhe der Kindheit! himmlische Ruhe! wie oft steh ich stille vor dir in liebender Betrachtung, und möchte dich denken!"

Um wie viel leichter ist es uns nun geworden, die Ruhe der Kindheit, die Kindheit in der erhabenen Sternenwelt zu denken - "in liebender Betrachtung".

Doch es möge auch Entschuldigendes angeführt werden: Physikalische Laien, die sich in den 1980er Jahren mit den astrophysikalischen Forschungen beschäftigten, die waren viel mit der "Großen Theorie von Allem" beschäftigt, mit dem Verständnis des Universums im Ganzen. Da konnte ein Thema wie die Entstehung der Elemente in Sternen und die Entstehung der Sterne selbst schon fast ganz nebensächlich erscheinen. Wollen wir das als Entschuldigung vorerst gelten lassen ....

1947 wurden sogenannte "Globule" als Sternentstehungsgebiete vermutet, 1990 wurde diese Vermutung empirisch bestätigt

Fahren wir also fort. Über den Orionnebel lesen wir (Wiki):

Anfang der 1990er Jahre gelang es durch hochaufgelöste Aufnahmen des Hubble-Weltraumteleskops, eine Vielzahl in Entstehung begriffener Sterne anhand ihrer zirkumstellaren Scheibe (Proplyd) zu identifizieren. Der Orionnebel selbst war vermutlich noch vor 50.000 Jahren nicht sichtbar, da die jungen O- und B-Sterne von der Molekülwolke umschlossen waren.

Vor 50.000 Jahren. Erst vor 50.000 Jahren. In der Zeit, in der der anatomisch moderne Mensch Afrika verließ. Genauer gesagt, heißen die Geburtsstätten der Sterne übrigens "Globule" (Wiki). Über sie lesen wir (Wiki):

Die dichten Nebelregionen, die die Sterne enthalten, sind oft als Schatten vor dem Rest des ionisierten Nebels zu sehen. Diese Dunklen Flecke nennt man Globule (engl. Bok globules), nach dem Astronom Bart Bok, welcher in den 1940ern (1947) vorschlug, daß sie Geburtsstätten von Sternen sind.  Boks Hypothese wurde 1990 bestätigt, als Infrarotbeobachtungen den dicken Staub durchdrangen und junge Sterne offenbarten. Heute nimmt man an, daß ein Bok Globule etwa die zehnfache Masse der Sonne besitzt, welche sich auf einen Durchmesser von ungefähr einem Lichtjahr verteilt. Meistens entsteht aus ihm eine Formation aus einem Doppel- oder Mehrfachsternensystem.

Nur durch Infrarotbeobachtungen können wir in die Kinderstube der Sterne blicken. Nur durch sie. Das macht uns auch Professor Ralf Klessen klar (4). Und von seinem Heidelberger Kollegen, dem Astrophysiker Philipp Girichidis, erfahren wir, daß diese Dunkelwolken - im Gegensatz zu dem heißen sonstigen interstellaren Medium - "eiseskalt" sind, so kalt, daß sie fast den absoluten Nullpunkt erreichen. Denn nur Kinderstuben, die so eiskalt sind, können aus sich heraus neue junge Sterne gebären (5). Aber zunächst lesen wir weiter (Wiki):

In den 1940er Jahren beobachtete Bok in der Milchstraße zum ersten mal kleine, dunkle Wolken von dichtem kosmischen Staub und Gas, die später als Bok Globule bekannt geworden sind. In einer Studie, die 1947 veröffentlicht wurde, vermuteten Bok und E. F. Reilly, daß diese Wolken "ähnlich den Kokon's der Insekten" einen Gravitationskollaps durchlaufen, in dem sich neue Sterne und Sternhaufen formen. Diese Hypothese war sehr schwer zu verifizieren, weil es Schwierigkeiten in der Beobachtung gab, um herauszubekommen, was innerhalb einer dichten, dunklen Wolke, die alles sichtbare Licht, das innerhalb derselben abgestrahlt wurde, verdunkelte, geschah. Aber nach dem Tod von Bok wurden seine Ideen bestätigt, als 1990 Analysen von Beobachtungen im Nahinfrarotbereich bestätigten, daß Sterne innerhalb der Bok Globule geboren wurden.

In the 1940s, Bok first observed small, dark clouds of dense cosmic dust and gas which would later become known as Bok globules in the Milky Way. In a paper published in 1947, Bok and E.F. Reilly hypothesized that these clouds were "similar to insect's cocoons" that were undergoing gravitational collapse to form new stars and star clusters. This hypothesis was difficult to verify due to the observational difficulties of establishing what was happening inside a dense dark cloud that obscured all visible light emitted from within it, but after Bok's death his ideas were confirmed when analyses of near infrared observations published in 1990 confirmed that stars were being born inside Bok globules.

Der Aufsatz von 1947 wurde eingeleitet mit den Worten (2):

In den letzten Jahren haben mehrere Autoren die Aufmerksamkeit auf die Möglichkeit der Entstehung von Sternen in Kondensationen im interstellaren Medium gelenkt. Es ist deshalb notwendig, nach Hinweisen für das Vorhandensein von relativ kleinen, dunklen Gaswolken in unserer Milchstraße zu suchen, denn diese repräsentieren womöglich das evolutionäre Stadium, das der Entstehung eines Sterns voraus geht.

Original: In recent years several authors have drawn attention to the possibility of the formation of stars from condensations in the interstellar medium. It is therefore necessary to survey the evidence for the presence in our galaxy of relatively small dark nebulae, since these probably represent the evolutionary stage just preceding the formation of a star. 

Die geradezu philosophische Formulierung "ähnlich den Kokon's der Insekten" ("similar to insect's cocoons"), die wir in dieser Studie suchen, weil sie mit dieser Herkunftsangabe in dem zitierten Wikipedia-Artikel enthalten war, finden wir in ihm allerdings so schnell nicht. Vielleicht stammt sie von woanders.

Wir wollen aber an dieser Stelle noch einen Vorbehalt einfügen: Die Astrophysikerin Emily Hunt, die Sternentstehungsgebiete und die Haufen von jungen Sternen erforscht, sagte jüngst in einem Interview, daß es noch nicht sicher ist, ob nur ein kleiner Teil aller Sterne in solchen Sternentstehungsgebieten entsteht oder der größte Teil aller Sterne (9) (im hinteren Teil der Sendung). Wir wollen das im Hinterkopf behalten für alles, was in diesem Blogbeitrag ausgeführt wird. Dieser Umstand macht einmal erneut deutlich, was alles noch in der modernen Astronomie abschließend zu klären ist und wie viel von dem, was wir hier zusammen tragen, letztlich noch "Vermutungswissen" ist.

Unsere Existenz - Sie hing an dem seidenen Faden einer "Jeans-Länge"

Wenn wir nun versuchen, noch weiter zurück zu gehen zu den Ursprüngen der Sternenentwicklung, so werden wir über die sogenannte Jeans-Masse (Wiki) belehrt, benannt nach dem britischen Astrophysiker James Jeans (1877-1946) (Wiki, engl). Von diesem hatten wir schon zuvor gehört. Er war seinen Zeitgenossen durch interessante philosophischen Deutungen des physikalischen Weltbildes bekannt geworden, über die zu seinen Lebzeiten auch in der deutschen Wissenschaftspresse berichtet worden ist. Wir lesen nun über "Molekülwolken" (Wiki):

Unter irdischen Bedingungen breiten sich Gase aufgrund der kinetischen Energie der Moleküle und ihrer damit verbundenen Kollisionen in dem zur Verfügung stehenden Raum gleichmäßig aus. Im freien Weltall dagegen werden größere Ansammlungen von Gasen durch ihre Schwerkraft zusammengehalten und sind deswegen räumlich begrenzt. Nach Überschreiten der Jeans-Masse zieht sich die Wolke immer weiter zusammen, bis ein neuer Gleichgewichtszustand erreicht wird (Sternentstehung).

Die Jeans-Masse hatte James Jeans aus der Jeans-Länge berechnet (Wiki):

Eine von Jeans' Hauptentdeckungen, benannt Jeans-Länge, ist ein kritischer Radius von interstellaren Wolken im Weltraum. Die Jeans-Länge hängt ab von der Temperatur und der Dichte der Wolke, sowie der Masse der Teilchen, aus denen die Wolke besteht. In einer Wolke, die kleiner ist als ihre Jeans-Länge, wirkt nicht genügend Gravitationskraft, um größer zu sein als die abstoßenden Kräfte des Gasdruckes und um deshalb kondensieren zu können, um dadurch einen Stern bilden zu können, während eine Wolke, die größer ist als ihre Jeans-Länge, kollabieren wird.

One of Jeans' major discoveries, named Jeans length, is a critical radius of an interstellar cloud in space. It depends on the temperature, and density of the cloud, and the mass of the particles composing the cloud. A cloud that is smaller than its Jeans length will not have sufficient gravity to overcome the repulsive gas pressure forces and condense to form a star, whereas a cloud that is larger than its Jeans length will collapse.

Mensch, der Du ins Weltall blickst: Alles nur Gas. Langsam sich formendes, langsam sich bewegendes, langsam sich wandelndes Gas, vielmehr: Gasgemische. Oft nur sehr dünn verteilt, kaum zu sehen. Ob jene Elemente, die dich später formten, sich überhaupt bilden konnten - all das hing damals - unter anderem - ab von der Jeans-Länge jener Wolke, in der sich zunächst Wasserstoff, Helium und Lithium, später schwerere Elemente gasförmig bewegten und waberten. An einem so seidenen Faden hing deine Existenz. Sie hing an einer Jeans-Länge.

Diese Molekülwolken sind jedenfalls die Vorstadien der Globule, von denen zuvor die Rede gewesen war, die in ihrer Bedeutung als Kinderstuben der Sterne 1946 erahnt, theoretisch vorausgesagt worden waren, die empirisch aber erst 1990 durch Nahinfrarotbeobachtungen als solche nachgewiesen werden konnten. Wir lesen (Wiki):

Die Periode der Kontraktion dauert insgesamt etwa 10 bis 15 Millionen Jahre.

Das ist - gemessen in astronomischen Zeiten - eine vergleichsweise kurze Zeit. Es ist die Zeitspanne eines durchschnittlichen Erdzeitalters. In einem solchen Erdzeitalter also bilden sich auch junge Sterne. Ist das nicht bewegend, faszinierend? Ein solches "Rhythmus-Gefühl" für Sternentstehung bekommen zu können? Wir lesen dann über eine Entdeckung des japanischen Astrophysikers Chushiro Hayashi (1920-2010)(Wiki):

Hayashi entwickelte die ersten Modelle sich zusammenziehender junger Sterne, in einem Stadium noch bevor sie die Hauptreihe des Hertzsprung-Russell-Diagramms erreicht haben. Nach ihm ist die Hayashi-Linie benannt. 

Das so wichtige "Hertzsprung-Russell-Diagramm" wird einem von Professor Ralf Klessen recht gut erklärt (4). Wir lesen weiter (Wiki):

Die Hayashi-Linie spielt eine wichtige Rolle bei der Sternentstehung. Betrachtet man die Entwicklung der kollabierenden Materie, aus der der Stern entsteht, im Farben-Helligkeits-Diagramm, so nähert sich diese der Hayashi-Linie von rechts. Der Kollaps der Wolke im freien Fall ist bei Erreichen der Hayashi-Linie beendet. Dieser Zeitpunkt kann also in gewissem Sinne als Geburtsstunde des Sternes angesehen werden. Die weitere Entwicklung des Sterns verläuft entlang der Hayashi-Linie nach unten, d. h., bei gleichbleibender Oberflächentemperatur verringert sich durch die Kontraktion die Oberfläche und somit auch die Leuchtkraft.

Die betreffende Arbeit erschien im Jahr 1961 (3). Es heißt darüber (Wiki):

Seine vielleicht berühmteste Arbeit war die astrophysikalische Berechnung, die zu der Hayashi-Linie der Sternenentstehung führte, und zu der Hayashi-Grenze, die eine Begrenzung des Sternenradius festlegt.

Probably his most famous work was the astrophysical calculations that led to the Hayashi tracks of star formation, and the Hayashi limit that puts a limit on star radius.

Und (Wiki):

Bei der weiteren Kontraktion der Globulen nimmt die Dichte zu und wegen der freiwerdenden Gravitationsenergie (wie des damit erhöhten Gravitationsdrucks) steigt die Temperatur weiter an (Virialsatz; die kinetische Energie der Teilchen entspricht der Temperatur). Der freie Kollaps kommt zum Stillstand, wenn die Wolke im Farben-Helligkeits-Diagramm die so genannte Hayashi-Linie erreicht, die das Gebiet abgrenzt, innerhalb dessen überhaupt stabile Sterne möglich sind. Danach bewegt sich der Stern im Farben-Helligkeits-Diagramm zunächst entlang dieser Hayashi-Linie, bevor er sich auf die Hauptreihe zubewegt, wo das sogenannte Wasserstoffbrennen einsetzt, das heißt die stellare Kernfusion von Wasserstoff zu Helium durch den Bethe-Weizsäcker-Zyklus oder die Proton-Proton-Reaktion. Als Folge des Drehimpulses der Globule bildet sich eine Scheibe aus, die den jungen Stern umkreist, und aus der er weiter Masse akkretiert. Aus dieser Akkretionsscheibe können ein oder mehrere Sterne sowie Planeten entstehen. Diese Phase der Sternentwicklung ist jedoch bisher noch nicht so gut verstanden. Aus der Ebene der Scheibe wird die Ekliptik. Bei der Akkretion aus der Scheibe bilden sich auch in beide Richtungen der Polachsen Materie-Jets (siehe Bild), die eine Länge von über 10 Lichtjahren erreichen können.

Im folgenden Astronomischen Kurzvortrag von Professor Ralf Klessen ist nun zusätzlich zu dem bis hier von uns Zusammengetragenen noch zu erfahren (4) (1'50): Im  Sternbild des Orion befinden sich riesige Molekülwolken aus molekularem Wasserstoff, die viele hunderttausende von Sonnenmassen schwer sind, und die sich über 50 bis 60 Lichtjahre hinweg erstrecken. Im "Schwertbereich" des Sternbilds Orion befindet sich nun ein Sternentstehungsgebiet mit etwa 2000 jungen Sternen. All das kann man nur im Infrarot-Wellenbereich des Lichtes sehen (4).

 

Sterne bilden sich niemals allein, so erfahren wir von Ralph Klessen. Sie sind sehr "gesellig", sie bilden sich in Grüppchen, Haufen und Superhaufen. Die 2000 jungen Sterne im Schwertbereich des Orion sind etwa 1 Million Jahre alt. Also schon zur Zeit unseres Vorfahren, des Homo habilis hat es sie nicht in dieser Form gegeben. Der zentrale Stern Zeta 1c Orionis ist nun so massereich und strahlt so hell, daß er es schafft, das umgebende Gas zu ionisieren, das heißt, Proton und Elektron in den Wasserstoff-Atomen zu trennen und damit eine heiße Blase ionisierten Gases zu schaffen, mit dem er sozusagen eine "Höhle" in das dahinter liegende (nicht ionisierte) Gas hinein brennt. Diese Ionisierung beeinflußt auch "Gasklumpen", die in diesem Bereich schon vorhanden sind (4'15). Wenn man an diese "Gasklumpen" nun aber näher heran "zoomt", sieht man Scheiben um einen jungen Stern herum, Scheiben aus Gas und Staub, aus deren einer auch unser eigenes Sonnen- und Planetensystem entstanden ist. Klessen:

"Das heißt, die Bildung von Sternen ist eng verkoppelt mit der Bildung von Planeten und Planetensystemen."

8'07 (4): Molekülwolken sind hochgradig inhomogen. Sterne bilden sich in den dichtesten und kältesten Teilen der Wolke. Man könnte nun meinen, die Graviationskräfte innerhalb dieser Wolke wirken dahingehend, daß sich die ganze Wolke zu einem einzigen riesigen Stern zusammen ballt. Ob dies geschieht, hängt von der Schnelligkeit ab, mit der sich einzelne ,kleinere Regionen im Verhältnis zur Gesamtregion zusammen ballen. Überschall-Turbulenzen bewirken dabei nämlich komplexe Dichtestrukturen, die Schwereanziehung überwindet den Gasdruck dann nur in bestimmten Bereichen. Und zwar in einigen Bereichen früher als in anderen. Dadurch fragmentiert sich das gesamte Wolkengebiet und bildet Haufen, aus denen dann jeweils einzelne Sterne entstehen. Da diese Sterne aber über Materieflüsse innerhalb der Wolke noch miteinander im Austausch stehen, ist der Prozeß bis zu diesem Zeitpunkt sozusagen immer noch "turbulent", einzelne Massepunkte entziehen anderen Massepunkten die Materie. Wenn aber dann der zentrale Stern dieses Sternentstehungsgebietes - in dem hier behandelten Beispiel Zeta 1c Orionis - so massereich geworden ist, daß er ionisierende Strahlung aussenden kann, fegt er seine Umgebung und auch die Umgebung der ihn umgebenden etwa 2000 Sterne von Staub und Molekülwolken frei, so daß im wesentlichen kein kontinuierlicher Austausch von Materie mehr zwischen ihnen stattfinden kann und sich nun jeder Stern für sich weiter entwickelt und in aller Pracht und Herrlichkeit erstrahlen kann.

So lautet also die moderne Sternentstehungstheorie. Und zwar scheint das der Stand der Erkenntnisse des Jahres 2011 gewesen zu sein. 

Geburt der Sterne nur dicht am absoluten Temperatur-Nullpunkt

Im Jahr 2020 referiert wiederum ein Wissenschaftler der Universität Heidelberg, Philipp Girichidis, schon sehr viel konkretere Vorstellungen zu diesem Sternentstehungsprozeß (5).

Aber zunächst sei noch festgehalten: Die Sternentstehungsrate nimmt im Laufe des Bestehens einer Galaxie ab. Und die Sternentstehungsrate wird deutlich erhöht, wenn zwei Galaxien miteinander zusammen stoßen (5). Vermutlich deshalb, weil es einfach mehr Turbulenzen und damit mehr Materie-Ungleichgewichte gibt. Die dunklen Regionen in einer Galaxie, die Staubwolken, die man in jeder Galaxie sieht, das sind nun die Sternentstehungszentren (6). Sie unterscheiden sich in entscheidenden Merkmalen von dem übrigen interstellaren Raum innerhalb einer Galaxie.

Teile der interstellaren Materie innerhalb von Galaxien sind nämlich im Allgemeinen vom molekularen Dichtegrad her gesehen sehr dünn. Sie sind gleichzeitig auch sehr, sehr heiß, nämlich mehrere hunderttausend oder mehrere hundert Millionen Grad heiß. Sie werden aufgeheizt von Sternen, sehr heißen Sternen und von Supernova-Ereignissen. Andere Regionen einer Galaxie hingegen, nämlich die dunklen Molekülwolken, stehen von der Temperatur her gesehen im größtmöglichen Gegensatz zu diesem dünnen, interstellaren Medium. Ihre Temperatur beträgt nämlich Minus 250 Grad Celsius, sie bewegt sich also dicht am absoluten Nullpunkt. Es sind das damit zugleich auch die kältesten Regionen in einer Galaxie. Und das ist sogar deshalb so, obwohl dort die Atome viel dichter gepackt sind. Das liegt daran, daß die Atome im dünnen interstellaren Medium sich sehr schnell bewegen, aber trotzdem nur sehr selten mit anderen Atomen zusammen stoßen. Deshalb können sie jene Strahlung, die bei Zusammenstößen abgegeben wird, gar nicht abgeben und bleiben heiß. Wenn die Atome aber dichter gepackt sind aufgrund von Gravitationskräften, stoßen sie viel häufiger zusammen und geben dabei Strahlung (Wärme) ab, die die Galaxie verläßt. Deshalb ist es in Molekülwolken so eiseskalt (6). Dieser Vorgang wird von der Wissenschaft "Strahlungskühlen" genannt.

Nur weil in diesen Molekülwolken der thermische Druck in Form von Temperatur so niedrig ist, nur deshalb kann es dort zu Sternentstehungen kommen (6). Nur dort herrschen dafür die idealen Voraussetzungen. Das heißt, die Kinderstube der Sterne muß nahe am absoluten Nullpunkt kalt sein.

Es darf das als ein wirklich auffallender Umstand benannt werden: Das Innere eines normalen Sterns ist so heiß wie man es sich heißer gar nicht denken kann. Und dies bewirken die atomaren Prozesse in seinem Innern, das Wasserstoffbrennen (Heliumbrennen, Kohlenstoffbrennen usw.) im Widerspiel zur Gravitationskraft, die die Atome aufeinander ausüben. Aber damit es zu einer solchen punktförmigen Aufheizung überhaupt erst einmal kommen kann, muß zunächst fast der Temperatur-Nullpunkt durchschritten werden. Ohne diesen kann die Gravitation - sozusagen: die "Druckpresse" - nicht genügend "Masse" einfangen, um mit dem "Backen", mit dem "Brennen" beginnen zu können. Interstellares Gas ist also im allgemeinen - sozusagen - sehr "eigenwillig", weil heiß. Sein "Eigenwille" kann nur durch Herabsetzen der Temperatur soweit "gebrochen" werden, das aus ihm Sterne geboren werden können.

Das "Herausperlen" neuer Sterne aus eiskalten, turbulenten Materie-Filmanenten in allen Armen einer Muttergalaxie

Aber diese dunklen Molekülwolken können auch voller Turbulenzen sein (6) (14'00):

"Starke Explosionen durch Supernovi durchmischen das Gas."

Außerdem dreht sich die ganze Galaxie, wodurch die Molekülwolken ebenfalls in Bewegung bleiben, sich in Turbulenzen befinden. In filamentartigen Strukturen, Armen dieser Turbulenzen, obsiegt nun in allen Teilen der Galaxie immer wieder die vor Ort wirkende Gravitation der dort vorliegenden Molekülmassen gegenüber dem dort ebenfalls vorliegenden thermischen Druck der Molekülwolke. Und dieser zufällige "Sieg" der Gravitation gegenüber dem thermischen Ausdruck der Gaswolke, dieser Sieg bewirkt das Entstehen der Sterne.

Ab 15'57 (6) sieht man in einem geradezu "bezaubernden" Modell, wie aus turbulenten Materie-Strömungen, wo die Gravitation jeweils nur punktuell gegenüber dem thermischen Druck "gewinnt", Sterne entstehen. Was für ein Geschehen. Es wird erkennbar, daß die oben schon genannten Überschall-Turbulenzen tatsächlich notwendig sind, um aus den dabei verwirbelten Materieströmen sich eine Fülle von Proto-Sternen heraus "kristallisieren" zu lassen, geradezu wie an einer Schnur entlang "herausperlen" zu lassen (wie Bläschen aus dem Wasser heraus). Er wird erkennbar, wie die Materieströme die jungen Sterne aus sich selbst heraus "sprühen" zu lassen. Welch ein aufregender Geburtsvorgang. Wenn sich denn diese Simulationen wirklich an den eigentlichen Beobachtungen bewähren sollten, was offenbar noch nicht ganz sicher zu sein scheint.

Aber gibt es denn überhaupt irgend etwas Richtungweisendes, Neues im Universum, das ohne "Erhabenheit", ohne "sprühende" Schönheit geschieht? So wie hier? Dieses "Herausperlen" von Sonnen aus tief kalten, verwirbelten Materieströmen, dieses "Herausperlen" von Planetensystemen aus tiefkalten, turbulenten Materieströmen - ist dies nicht voller wirbelnder, sprühender Schönheit? Voller wirbelnder Freude? Werden Sterne hier nicht wie in einem wirbelnden Strom von Freude geboren? Wirft die Galaxie nicht aus sich in unterschiedlichen Strömungsarmen, Filamenten Sterne aus sich selbst heraus hinaus in die Existenz - geradezu wie in Übermut und Freude? Wurden einstmals womöglich auch "wir" so geboren? Wir "Kinder des Weltalls"? Mit unserem Sonnen- und Planetensystem? Vor 4,7 Milliarden Jahren? Welche Freude, auf solche Weise von einer herrlich sich drehenden Muttergalaxie heraus in die Existenz gewirbelt worden zu sein, hinaus geworfen zu sein in die Existenz.

Danke, Weltall, daß Du nicht "langweilig" bist, daß Du das in solcher Herrlichkeit tust. Daß Du uns nicht armselig und glücklos, "unmutig" und gelangweilt in die Welt hinaus geworfen hast.

In den jungen, neuen Sternhaufen kommt es dann dabei zu ganz komplizierten, wirbelnden Bewegungen der jungen Sterne zueinander. All das geschieht innerhalb von 30.000 Jahren. Der Geburtsvorgang einer solchen Sternengruppe von mehreren hundert oder tausend Sternen, so kann gesagt werden, dauert also nicht nur ungefähr so lang wie eine Erdepoche (so wie oben gesagt) von 10 bis 20 Millionen Jahren, nein er dauerte so lang wie es brauchte, daß sich der archaische Homo sapiens aus sich selbst heraus zum anatomisch modernen Homo sapiens entwickelte oder als sich der Mensch der Eiszeit im Vorderen Orient aus sich selbst heraus - in Glück und Freude, in Übermut und Lachen - zum seßhaften, Ackerbau treibenden Menschen weiter entwickelte.

Die hier vorgelegte Sternentstehungstheorie (6) läßt es auch erst verständlich erscheinen, weshalb Sterne niemals - oder selten - einzeln und allein für sich, quasi als "Einzelkinder" geboren werden, weshalb sie fast immer in glückliche, freudesprühende Sternenfamilien hineingeboren werden wie der Sternenfamilie der Plejaden, wie der Sternenfamilie der Gürtel- und Schwertsterne des Orion. Mit vielen anderen Kindern gemeinsam werden sie geboren und nicht gar zu selten dabei sich herum gruppierend um einen zentralen "Mutterstern", bzw. sich herum gruppierend um die "älteste" "Schwester" all dieser Sternen-Kinder (oder auch um den "ältesten" "Bruder"). Die größten der Geschwister sorgen dann für sich und alle anderen, indem sie sie ihrer Hülle entledigen.

In diesen turbulenten Materiefilamenten eines Arms einer Spiralgalaxie werden nämlich nun gleichzeitig auch noch Sterne ganz unterschiedlicher Größe geboren. Es entsteht eine große Vielfalt unterschiedlicher "Sternpersönlichkeiten".

Wir brechen an dieser Stelle erst einmal ab. Um Atem zu schöpfen. Die Ausführungen dieses Blogartikels finden noch Fortsetzungen. Uns interessieren zum einen insbesondere die Rhythmen der Sternenentstehung in ihren zeitlichen Abläufen im Verlauf der Geschichte des Universums und einer Galaxie. Zum zweiten wüßten wir gerne ganz konkret um jene Vorgänge, die unsere eigene "Lokale Blase" schufen, bzw. das Lebensschicksal dieser Lokalen Blase in den letzten 4,7 Milliarden Jahren gestalteten. Bezüglich solcher Fragen beginnt gerade das "Goldene Zeitalter der Astronomie". Denn der Astronomie-Forschungssatellit Gaia sendet eine solche Fülle von Daten zur Erde, daß mit ihnen viele Fragen ganz neu gestellt und beantwortet werden können.

/ Hier ---> geht es zu Teil 3 dieser Aufsatzreihe. /

Ergänzung 14.1.2022: Soeben ist eine neue Studie in "Nature" erschienen (10): "Die Sternentstehung nahe der Sonne wird angetrieben durch die Ausdehnung der Lokalen Blase". Mit ihr werden mit einem Schlag schon wieder viele Fragen beantwortet, die wir in diesem Blogartikel aufgeworfen hatten. Wir berichten darüber im 5. Teil dieser Aufsatzreihe. ----> "Lauter Sternenkinder ...."

 

// Dies ist der zweite Beitrag in unserer 

Blogartikel-Serie "Wir sind Sternenstaub"

 Die weiteren Beiträge:

 1. (2020), 2. (2020), 3. (2020), 4. (2021) , 5. (2021) //

 

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*) Vorlesungsmitschriften aus einer Ringvorlesung im Rahmen des "Studium generale" der Universität Wikihausen, Fachbereich Astrophysik.

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1. Bading, Ingo: Wir sind Sternenstaub - Das Entstehen der chemischen Elemente in den Sternen - Ein Ausflug in die Wissenschaftsgeschichte, ein Vortrag, um zu verstehen, wie unsere Welt "tickt ... 20.12.2020 (Yt), http://fuerkultur.blogspot.com/2020/12/wir-sind-sternenstaub.html
   
2. Bok, Bart J.; Reilly, Edith F.: "Small Dark Nebulae", Astrophysical Journal, 105: 255, March 1947 
3. Hayashi, C. (1961). "Stellar evolution in early phases of gravitational contraction". Publications of the Astronomical Society of Japan. 13: 450–452 
4. Klessen, Ralf: Wie entsteht ein Stern? Uni(versum) für alle! Astronomische Kurzvorträge der Universität Heidelberg, 2011, https://youtu.be/g3XJpgzhtwg. 
5. Girichidis, Philipp: Entstehung von Sternen. Babelsberger Sternennächte. November 2020, https://youtu.be/nqtbZVbws88. 
6. Hahn, Hermann-Michael: Sternentstehung in der Milchstraße. Die Geburtenrate von Sternen. Sternzeit, Deutschlandradio, 10.02.2019, https://youtu.be/Dk0sU_yQ-yA.  
7. Berghoefer, T.W.; Breitschwerdt, D.: "The origin of the young stellar population in the solar neighborhood - a link to the formation of the Local Bubble?". Astronomy and Astrophysics. 2002, 390 (1): 299–306
8. von Ditfurth, Hoimar: Kinder des Weltalls. Der Roman unserer Existenz.  Dtv, München 1991, [Zuerst: Hoffmann und Campe Verlag, Hambur 1970]
9. Urban, Karl: 1,8 Milliarden Sterne. AstroGeo Podcast, 18. Dez 2020, https://scilogs.spektrum.de/astrogeo/astrogeo-podcast-18-milliarden-sterne/.  
10. Zucker, C., Goodman, A.A., Alves, J. et al. Star formation near the Sun is driven by expansion of the Local Bubble. Nature (2022), 12.1.2022, https://doi.org/10.1038/s41586-021-04286-5