Nicht viele Sterne können von sich behaupten, beinahe unser Verständnis vom Universum kaputt gemacht zu haben – aber ein Stern mit der Bezeichnung HD 140283 hätte es fast geschafft: Im Jahr 2000 schätzten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sein Alter auf 16 Milliarden Jahre. Und damit wäre dieser so unscheinbare Stern älter als das Universum selbst Er liegt in rund 190 Lichtjahren Entfernung im Sternbild Waage und ist von der Erde aus zwar nicht mit dem bloßen Auge, aber doch immerhin schon mit einem Fernglas sichtbar. Seinen Spitznamen als „Methusalem-Stern“ hat er sich damit mehr als verdient.
In den darauffolgenden Jahren korrigierten neue Messungen und Studien dieses Alter glücklicherweise nach unten. Inzwischen gilt HD 140283 zwar immer noch als alt, aber nicht mehr als älter als das Universum selbst. Trotz seines stolzen Alters ist eines wissenschaftlich sicher: Der Methusalem-Stern ist keiner von den allerersten Sternen, die es in unserem Universum je gegeben hat – doch auf die haben sie es abgesehen.
Forschende bezeichnen jene ersten Sterne im Universum auch als Sterne der Population III. Es sind die Sterne, die nach dem Urknall als erstes Licht ins Dunkel brachten. Damals, vor Milliarden von Jahren, gab es im Universum vor allem Wasserstoff und Helium. Erst die ersten Sterne haben jene massereicheren Elemente hergestellt, die wir heute kennen und schätzen – und ohne die es uns nicht geben würde: Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff, und noch schwerere Elemente bis hin zum Eisen.
Somit ist zwar vollkommen klar, dass es diese ersten Sterne gegeben haben muss. Und doch haben Forschende noch nie einen solchen Stern beobachtet, trotz Jahrzehnten der intensiven Suche.
In dieser Folge erzählt Franzi von dieser Suche nach den Sternen der Population III, die Licht ins Universum gebracht haben – eine Suche, für die Forschende versuchen, mit dem James Webb-Weltraumteleskop so weit in die Vergangenheit zu blicken wie möglich. Aber auch unsere eigene Milchstraße bleibt ein möglicher Fundort für die wahren Methusalem-Sterne.
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- Folge 65: Blaue Riesensterne: Nimm Zwei!
- Folge 98: Das Erbe des Urknalls: Wie die Materie in unser Universum kam
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- Spektrum.de: Trügt das Licht des ältesten Sterns? (Artikel von Franzi)
- Spektrum.de: Startete das Universum früher durch als gedacht? (Artikel von Franzi)
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Quellen
- Fachartikel: The First Stars: Formation, Properties, and Impact (2023)
- Fachartikel: Asteroseismic investigation of HD 140283: The Methuselah star (2025)
- Fachartikel: Determination of the mass distribution of the first stars from the 21-cm signal (2025)
- Fachartikel: Metal-polluted Population III Galaxies and How to Find Them (2025)
- Fachartikel: Evidence for PopIII-like stellar populations in the most luminous Lyman-α emitters at the epoch of re-ionisation: spectroscopic confirmation (2015)
- Fachartikel: No evidence for Population III stars or a direct collapse black hole in the z = 6.6 Lyman α emitter ‘CR7’ (2017)
- Fachartikel: On the Probability of the Extremely Lensed z = 6.2 Earendel Source Being a Population III Star (2022)
- Fachartikel: Discovery of an [Fe/H] ∼−4.8 Star in Gaia XP Spectra (2025)
Episodenbild: ESO/M. Kornmesser (künstlerische Ansicht)
Mal eine blöde Frage: Ist anzunehmen, dass die schwarzen Löcher im Zentrum einer Galaxie die Überreste eines Population 3 Sterns sind? Vermutlich kann man das nie mit Sicherheit bestimmen, ich kann mir aber bei diesen riesigen Sternen vorstellen, dass sie etwas mit der Entstehung von Galaxien zu tun haben, aber genau das ist vermutlich der Antrieb der Forschung zum Thema.
Hallo und frohes neues Jahr! Franzi erzählt, dass Population 3 Sterne an dem Fehlen von schwereren Elementen identifiziert werden sollen. Ist die Verteilung von solchen Elementen im Universum denn so gleichmäßig, dass ein solcher Schluss richtig sein muss?
P.S.: Finde Benjamins Frage nicht blöd sondern sehr interessant!
P.P.S.: Diese Folge baut super auf Franzis Erzählungen über den Beginn des Universums und auch die schwarzen Löcher (wegen der Funktionsweise von Sternen) auf!
„Ist die Verteilung von solchen Elementen im Universum denn so gleichmäßig, dass ein solcher Schluss richtig sein muss? “
Gute Frage. Wenn sie es nicht wäre, könnte es ja noch viele Plätze im Kosmos geben, wo reine Wasserstoffwolken sich zu Sternen zusammenziehen.
Ich weiß die Antwort nicht, könnte aber ein paar Überlegungen anstellen, um zu einer Vermutung zu kommen. Interessant ist der Punkt immer auf Galaxien bezogen. Im intergalaktischen Raum entstehen so wenig Sterne, dass die Verteilung der Elemente relativ irrelevant ist, denn so einen bekommen wir eh nicht zu Gesicht.
In unserer Milchstraße ist der mittlere Abstand von Sternen 3-5 Lichtjahre, der von Sternen mit mehr als 8 Sonnenmassen (das sind die, die Elemente bis zum Eisen fusionieren können) 30-40 Lichtjahre (die sind also anzahlmäßig etwa ein Tausendstel aller Sterne). Sie clustern aber, also können wir von Clustern ausgehen, die rund 1000 Lichtjahre voneinander entfernt sind.
Die Lebensdauer solcher Sterne ist rund 10 Millionen Jahre. Dann explodieren sie als Supernova und die Gaswolke mit den neu produzierten Elementen dehnt sich aus. Mit welcher Geschwindigkeit? Die Erde hat eine Geschwindigkeit von 30 km/s um die Sonne. Das Gas dürfte etwas schneller sein, sagen wir 300 km/s, also ein Tausendstel der Lichtgeschwindigkeit. Braucht also eine Million Jahre um die mittlere Strecke zwischen zwei Clustern zu überwinden. Geben wir einen Faktor 10 zu, um eine gute Durchmischung zu erreichen, dann hat die erste Generation von Riesensternen 20 Millionen Jahre nach ihrer Entstehung die Galaxie mit einer ordentlichen Menge an Metallen angereichert. Es sind 20 Millionen Jahre vergangen und die zweite Generation an Riesensternen kann entstehen, die schon nicht mehr Population III sind. Also ich denke, bei einem Alter der Milchstraße von mehr als 10 Milliarden Jahren kann man davon ausgehen, dass neu entstehende Sterne sich nur noch aus Wolken mit ordentlichem Metallgehalt entwickeln.
Insofern würde ich sagen, ja, die Elemente müssen in einer so alten Galaxie wie unserer schon hinreichend verteilt sein (nicht unbedingt völlig gleichmäßig, aber so, dass der Metallgehalt nirgends null ist), dass keine neuen Population-III-Sterne mehr entstehen.
Hallo ihr beiden,
wieder einmal eine schöne Folge, vielen Dank dafür. Ich verstehe allerdings nicht, warum Population 3 Sterne keine Metalle enthalten (dürfen). Was ist mit den schwereren Elementen, die sich im Stern selbst bilden? Soweit ich weiß, können alle Elemente bis Eisen im normalen Kernfusionsprozess des Sterns entstehen. Dann könnte doch auch ein Population 3 Stern, der definitionsgemäß bei seiner Entstehung metallfrei war, im Laufe der Millarden Jahre sein eigenes Metall gebildet haben. Und jetzt sehen wir die Absorptionslinien der entsprechenden Elemente? Wo ist der Denkfehler?
Danke für euren Podcast und eure Denkanstöße
Lara
Da ist kein Denkfehler, nur Unkenntnis der Zeitskalen.
Die schwereren Elemente werden erst gegen Ende der Lebenszeit eines Sterns gebildet. Und Sterne von weniger als 8 Sonnenmassen bilden nie alle Elemente bis zum Eisen. Alles Eisen in unserer Sonne muss schon aus der Wolke stammen, aus der sie entstand, denn ihre Masse ist zu klein, um je die Temperaturen und den Druck zu erreichen, die für die Fusion schwererer Elemente als Sauerstoff nötig sind.
Bei der Sonne sind die Zeitskalen etwa so: sie fusioniert Wasserstoff zu Helium, bis etwa 10% ihrer Masse zu Helium geworden sind, das dauert 10 bis 11 Milliarden Jahre (von denen rund 5 Milliarden schon rum sind); dann bläht sie sich zum roten Riesen auf und danach fängt das Helium an zu fusionieren und wird zur Kohlenstoff und Sauerstoff. Das dauert nur rund 100 Millionen Jahre, dann bläht die Sonne sich noch weiter auf, stößt ihre äußeren Hüllen ab (hauptsächlich immer noch Wasserstoff) und schrumpft in etwa einer Million Jahren zum weißen Zwerg. Der fusioniert dann keine neuen Elemente mehr, besteht also im wesentlichen aus Wasserstoff, Helium, Kohlenstoff, Sauerstoff.
Interessanter ist es bei einem Stern, der schwerer ist als 8 Sonnenmassen. Der kann in mehreren Schalen brennen, wobei die Schalen um so weiter innen sind, je schwerer die fusionierten Elemente sind und umso kürzer brennen. Ich habe eine kleine Tabelle für einen Stern mit 18 Sonnenmassen, aus der ich hier einen Teil reproduziere:
Brennmaterial Temperatur in Millionen Grad Brenndauer in Jahren
H (Wasserstoff) 40 10 Millionen
He (Helium) 190 1 Million
C (Kohlenstoff) 740 10000
Ne (Neon) 1600 10
O (Sauerstoff) 2100 5
Si Silizium) 3400 1/52
Fe (Eisen) 10000
In der letzten Zeile das Eisen fusioniert nicht weiter, ist also kein Brennmaterial, sondern das Fusionsergebnis, also die „Asche“. Das Brennmaterial einer Zeile ist die Asche der vorhergehenden.
Schaut man sich die Zahlen für die Brenndauern an, so erkennt man, dass die gesamte Lebensdauer eines so schweren Sterns viel kürzer ist als die der Sonne, nämlich nur rund 11 Millionen Jahre. Die ersten 10 Millionen Jahre wird im Wesentlichen nur Helium hergestellt, dann hat sich im Kern genug Helium gesammelt und Druck und Temperatur sind groß genug geworden, dass das Helium zündet und für die nächste Million Jahre brennt. Der Wasserstoff in der Schicht drum herum fusioniert natürlich weiter aber in der einen Million Jahre wird natürlich nur ein Zehntel dessen verbrannt, was in den ersten 10 Millionen Jahren passierte.
Das Helium fusioniert zu Kohlenstoff (und Sauerstoff), wenn der Kohlenstoff zündet, fusioniert er überwiegend zu Neon. Das Kohlenstoffbrennen dauert nur etwa 10000 Jahre, dann geht die nächste Fusionsetappe im Kern los.
Neon fusioniert nur noch für 10 Jahre, bevor genug Sauerstoff entstanden ist, um zu zünden, der Sauerstoff brennt für 5 Jahre und verbrennt zu Silizium, das nur noch eine Woche lang zu Eisen fusioniert. In dieser letzten Woche des Lebens des Sterns besteht er aus sieben „Zwiebelschalen“, die alle weiterbrennen. Dann wird er zur Supernova und schleudert den größten Teil der erzeugten Elemente ins All. Der verbleibende Rest schrumpft je nach Masse zu einem weißen Zwerg, Neutronenstern oder schwarzen Loch.
Da während 90% der Lebensdauer eines Sterns keine schwereren Elemente als Helium fusioniert werden, was astronomisch kein Metall ist, lautet die Antwort auf deine Frage einfach: wenn man den Stern mehr als ein Zehntel vor dem Ende seiner Lebensdauer vor das Teleskop bekommt, bzw. ihn in diesem Alter zu sehen bekommt, dann wird er keine Metalle enthalten, wenn er zur Population drei gehört. Er hatte einfach noch keine Zeit, welche zu produzieren.
Um Eisenlinien in einem solchen Stern zu sehen, müsste man ihn gerade in der letzen Woche vor seiner Supernovaexplosion sichten…
Hmm, die Tabelle ist nicht ganz so formatiert rausgekommen, wie ich sie getippt hatte. Da hätte ich die Einträge besser mit Kommata getrennt. Ich hoffe, sie ist trotzdem verständlich.
Hallo
Danke für euren Podcast ich höre euch gerne zu. Etwas worüber ich mich Wundere ist, wie ist es möglich, dass man mit dem James Webb Teleskop Licht erfassen kann, das nur wenige hundert Millionen Jahre nach dem Urknall ausgesendet wurde. Müsste dieses Licht nicht schon längst an uns vorbeigezogen sein? Wie weit zurück wurde das älteste Licht ausgesendet, das man theoretisch auf der Erde noch empfangen kann?
Danke viel Mals für eure Arbeit.
Tom
Das Licht das heute von irgendwelchen weit entfernten Objekten bei uns ankommt, kommt aus einer Entfernung, die das Licht in der Zeit seit seiner Aussendung zurücklegen konnte. In einer Milliarde Jahren werden „wir“ Licht sehen von Objekten, die so weit entfernt sind, dass das Licht eine Milliarde Jahre länger gebraucht hat.
Es wird also nie alles Licht an uns vorübergezogen sein, weil es immer weiter draußen noch Objekte gibt.
Die mathematischen Modelle, die den beobachtbaren Kosmos am besten beschreiben, gehen alle von einem unendlichen Universum aus. Es gibt Modelle, die geschlossene Kosmen beschreiben (wie eine Kugeloberfläche nur dreidimensional), die nur ein endliches Volumen haben. In einem solchen Universum könnte man theoretisch seinen eigenen Hinterkopf beobachten, wenn das Licht einmal um den Kosmos herumgelaufen ist (und man solange leben würde und Geduld hätte). Aber die astronomisch gemessenen Modellparameter entsprechen offenen also unendlichen Kosmen.
Natürlich können wir zu keinem Zeitpunkt den gesamten Kosmos sehen, weil er eben nur seit endlich langer Zeit existiert. Wir können sogar nicht ganz bis zum Anfang zurückschauen, weil das Universum am Anfang undurchsichtig war. Wir können nur bis etwa 400000 Jahre nach dem Urknall sehen, das ist die Zeit, aus der der kosmische Mikrowellenhintergrund kommt, der als thermische Strahlung mit einer Temperatur von ca. 3000 K entstanden ist und sich inzwischen aufgrund der Rotverschiebung auf eine Temperatur von rund 3 K abgekühlt hat. In der Zeit seit der Aussendung dieses Lichts vor 13,8 Milliarden Jahren (minus 400000 Jahren) hat sich der Kosmos um einen Faktor 1000 ausgedehnt. Das heißt nicht, dass er heute 1000 mal größer ist als damals, unendlich mal 1000 ist immer noch unendlich, es heißt aber, dass Objekte von Galaxiengröße sich seither voneinander auf das Tausendfache ihres damaligen Abstands entfernt haben. (Sie sind aber nicht tausendmal größer geworden..)
Der sogenannte Teilchenhorizont unseres Universums beträgt rund 46 Milliarden Lichtjahre, soweit entfernt sind heute die entferntesten Objekte, die wir noch sehen können, also Objekte, die ihr Licht vor 13,8 Milliarden Jahren ausgesandt haben. Wegen der Ausdehnung des Universums war ihre Entfernung von uns weder zum Zeitpunkt der Aussendung des Lichts 13,8 Milliarden Lichtjahre (sie war viel kleiner, grob geschätzt 46 Millionen Lichtjahre), noch ist sie heute so groß, da beträgt sie eben jene 46 Milliarden Lichtjahre, ist also mehr als dreimal so groß wie die Strecke, die das Licht in einem sich nicht verändernden Raum in der Zeit zurücklegt.
Zum Zeitpunkt der Aussendung des Lichts des Mikrowellenhintergrunds hat sich, wenn ich die Zahl richtig erinnere, die in Richtung Milchstraße geschickte Lichtfront wegen der schnellen Ausdehnung des Universums noch mit ca. 58-facher Lichtgeschwindigkeit von uns weg bewegt. Die Ausdehnung hat sich verlangsamt, und irgendwann ist die Lichtfront in einen Bereich gelangt, der sich nur noch unterlichtschnell von der Milchstraße entfernt. Von da an bewegte sie sich wirklich auf uns zu und war nicht mehr von ihrer Ankunft bei uns abzuhalten.
Ich verstehe nicht ganz, warum eine geringe Metallizität ein Ausschlusskriterium für Population3-Sterne sein soll. Schliesslich produzieren diese ja seit Milliarden von Jahren selbst Metalle. Müsste man nicht von dieser eindimensionalen Betrachtungsweise wegkommen und schauen, welche Metalle das sind (solar erbrütete oder supernova-bürtige)?
Wenn ich das Thema von Lara noch einmal von einer anderen Seite her aufgreifen darf: Was wir beispielsweise dem Spektrum der Sonne entnehmen können, ist ja zunächst einmal nur die Zusammensetzung ihrer Photospäre; siehe auch den deutschen Wikipedia-Eintrag zu diesem Stichwort.
Die Frage wäre also: Kann von dem, was im Inneren eines Sterns erbrütet wird, etwas bis in den Bereich vordringen, in dem der Stern Strahlung nach außen abgibt, und wenn ja, inwieweit und unter welchen Umständen?
Wenn wir Eisen im Spektrum sehen, ist das immer welches, das schon in der Gaswolke vorhanden war, aus der der Stern entstanden ist. Das Eisen, was der Stern in den wenigen Tagen vor der Supernovaexplosion erbrütet, kommt vor der Explosion nie an die Oberfläche.
Aus den anderen „Brennschalen“ (siehe meinen Kommentar oben), kommt konvektiv ein bisschen was an die Oberfläche, um so weniger, je weiter innen sie sind und je kürzer sie „leben“. Man kann dann durch komplizierte Berechnungen aus dem Spektrum erschließen, wie hoch der Anteil des betreffenden Elements ist, mit wahrscheinlich nicht kleinen Unsicherheiten.
Also, wenn man im Spektrum eines Sterns Eisenlinien sieht, ist es mit Sicherheit keiner aus der Population III, sieht man Silizium und andere „Metalle“ ist die Wahrscheinlichkeit auch nicht hoch.
Franzi hat im nächsten Geplänkel nix zu tun weil Klaus Kassner alle Fragen abfängt 😉