// SCINEXX — SPAZIO & SCIENZA
James-Webb untersucht ein extrem sauerstoffarmes Sternsystem aus der Frühzeit des Universums
Rund 800 Millionen Jahre nach dem Urknall existierte bereits ein winziges Sternsystem mit extrem sauerstoffarmem Gas. Spektren des James-Webb-Weltraumteleskops ergaben für LAP1-B ursprünglich nur rund ein 240stel des Sonnenwerts. Eine neuere Auswertung bestätigt die geringe Anreicherung, lässt aber offen, ob das Objekt eine eigenständige Zwerggalaxie ist und ob seine Chemie tatsächlich die ersten Sterne verrät.
Kanazawa (Japan). Die ersten chemischen Elemente im Kosmos waren vor allem Wasserstoff und Helium. Sauerstoff und Kohlenstoff entstanden erst bei der Entwicklung früher Sterne und gelangten durch Sternwinde und Explosionen in die umgebenden Gaswolken. Deshalb lässt sich aus der Elementzusammensetzung junger Sternsysteme ablesen, wie weit diese chemische Entwicklung bereits fortgeschritten war.
Sehr kleine Galaxien aus dieser Epoche sind besonders schwierig zu erfassen, weil sie nur wenig Licht aussenden. Gleichzeitig gelten die lichtschwächsten Zwerggalaxien in der Nachbarschaft der Milchstraße als mögliche Überreste früher kosmischer Strukturen. Ob sie tatsächlich von ähnlich winzigen Sternsystemen aus der Frühzeit abstammen, ließ sich bislang nur indirekt erschließen.
Forscher der Kanazawa University um Kimihiko Nakajima haben das extrem lichtschwache Objekt LAP1-B spektroskopisch untersucht. Es befindet sich bei einer Rotverschiebung von 6,625, sodass sein Licht aus der Zeit rund 800 Millionen Jahre nach dem Urknall stammt. Der Vordergrundgalaxienhaufen MACS J0416 verstärkt das Licht des weiter entfernten Systems durch seine Schwerkraft um ungefähr das Hundertfache.
Mit dem Nahinfrarotspektrografen (NIRSpec) am James-Webb-Weltraumteleskop sammelte das Team über 30 Stunden lang Daten. Im Spektrum identifizierten die Forscher unter anderem charakteristische Strahlung von Wasserstoff und Sauerstoff. Aus den Intensitätsverhältnissen der Emissionslinien berechneten sie für das Gas einen Sauerstoffanteil von rund 0,42 Prozent des Sonnenwerts, also etwa einem 240stel.
„Die extreme Sauerstoffarmut, die die Daten zeigen, hat mich sofort begeistert“, sagt Kimihiko Nakajima.
Die geringe Sauerstoffhäufigkeit gehört zu den niedrigsten, die für ein sternbildendes System ermittelt wurden. Allerdings ist der konkrete Wert kein unmittelbares Zählergebnis, sondern hängt davon ab, welche Modelle die beobachteten Spektrallinien in chemische Häufigkeiten übersetzen. Diese Unsicherheit ist besonders wichtig, weil extrem sauerstoffarme Systeme bisher kaum als Vergleichsobjekte zur Verfügung stehen.
Die ursprüngliche Untersuchung fand außerdem ein auffälliges Verhältnis zwischen Kohlenstoff und Sauerstoff sowie Hinweise auf ein sehr energiereiches Strahlungsfeld. Beides deutete das Team als mögliche Signatur jener ersten Sterne, die noch aus nahezu metallfreiem Gas entstanden waren. Solche Sterne werden als Population III bezeichnet und könnten beim Sterben die ersten schwereren Elemente im Kosmos freigesetzt haben.
Die Messungen liefern damit einen Blick in eine frühe Phase der chemischen Anreicherung, ohne dass einzelne Sterne dieser ersten Generation direkt beobachtet worden wären. In der ursprünglichen Deutung könnte LAP1-B Gas enthalten, das erst durch sehr wenige frühere Sternexplosionen mit schweren Elementen angereichert wurde. Der mögliche Zusammenhang beruht jedoch auf dem Vergleich gemessener Spektrallinien mit theoretischen Modellen.
„Wir erleben den Moment, in dem eine Galaxie erstmals die chemischen Bausteine übernommen hat, die von den frühesten Sternen des Universums geschaffen wurden“, erklärt Kimihiko Nakajima.