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Abb. 1:
Intergalaktisches Gas kollabiert in einem `Minihalo' aus Dunkler Materie und
erhitzt sich durch die Freisetzung von potentieller Energie. Nur im Zentrum
kühlt das Gas durch molekularen Wasserstoff. Der gezeigte Ausschnitt ist
30,000 Lichtjahre groß. Die Farben deuten die Temperatur an, wobei Regionen
mit der geringsten Temperatur schwarz dargestellt sind, Regionen mit der
höchsten Temperatur sind weiß kodiert.
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Abb. 2:
Im Zentrum des Minihalos bildet sich eine Scheibe, die kurz darauf in eine
kleine Gruppe von Protosternen fragmentiert. Die gezeigte Box ist gerade
einmal 200 Astronomische Einheiten groß. Die Dichte ist von schwarz
(geringste Dichte) bis gelb (höchste Dichte) farbkodiert.
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Die Strukturentstehung im Universum begann durch den Kollaps der
kleinsten Halos Dunkler Materie. Diese sogenannten `Minihalos' hatten
eine Masse von ungefähr einer Million Sonnenmassen und sammelten das
intergalaktische Gas in ihrer Umgebung ein, das dadurch dichter und
heißer wurde. Schließlich wurde im Zentrum dieser Minihalos die Dichte
hoch genug, so dass sich molekularer Wasserstoff bilden konnte — das
einfachste Molekül im Universum. Durch die Aktivierung interner
Freiheitsgrade im Molekül konnte das Gas abkühlen, was zu einem
rasanten, gravitativen Kollaps bis hin zu stellaren Dichten führte. Im
Endstadium dieser Entwicklung bildete sich ein Protostern, der zwar
anfangs nur ein tausendstel der Masse der Sonne hatte, das umliegende
Gas aber rasch akkretierte. Der neugeborene Stern wuchs so weiter, bis
nach etwa hunderttausend Jahren die Kernfusion in seinem Innern
zündete.
Numerische Simulationen fanden bisher wenige Anzeichen für eine
Fragmentation in der ersten Phase des Kollapses. Nimmt man an, dass
die gesamte akkretierte Materie in einem Minihalo auf den einzelnen
Protostern fällt, ergibt sich aus einfachen eindimensionalen
Berechnungen, dass Population-III-Sterne ungefähr 100mal massereicher
werden als die Sonne. Die extrem große Masse dieser Sterne führt dazu,
dass sie wesentlich mehr ionisierende Strahlung emittieren als normale
Sterne im heutigen Universum. Dies wirkt sich wiederum auf die
21cm-Hintergrundstrahlung aus und beeinflusst die Reionisation des
Universums. Zudem können derart schwere Sterne als extrem energetische
Supernovae explodieren, möglicherweise sogar als
Paar-Instabilitäts-Supernovae, die den gesamten Stern zerstören und
kein Schwarzes Loch zurücklassen.
Kürzlich haben Thomas Greif und seine Kollegen eine neue
Simulationsmethode benutzt, um den Kollaps des Gases über einen
Zeitraum von tausend Jahren nach der Entstehung des ersten Protosterns
zu untersuchen. Die große räumliche und zeitliche Auflösung ihrer
Simulation zeigte, dass das Gas sehr schnell in etwa zehn einzelne
Protosterne fragmentierte statt ein einzelnes Objekt zu bilden. Da
alle diese Protosterne ihre Materie vom gleichen Gas-Reservoir
akkretieren, würde sich die typische Masse der Population-III-Sterne
auf zehn Sonnenmassen verringern.
Im Laufe der weiteren stellaren Entwicklung wäre in diesem Fall
eine Explosion als Paar-Instabilitäts-Supernova unwahrscheinlich.
Diese Sterne könnten
ihr Leben eher als normale Supernova, eventuell mit einem Ausbruch von
Gamma-Strahlung, beenden. In Beobachtungen wären diese einfach zu
identifizieren und könnten Aufschluss über den Vorläufer-Stern geben.
Ein weiteres interessantes Resultat der Simulation ist, dass
Protosterne durch gravitative Wechselwirkungen mit anderen
Protosternen aus der zentralen Gaswolke herausgeschleudert werden
können. Da dies in einer frühen Phase ihrer Entwicklung passiert,
haben diese Sterne eine recht kleine Masse, weniger als eine
Sonnenmasse, und könnten somit bis heute überlebt
haben. Möglicherweise könnte man sie sogar in unserer Milchstraße
finden. Die Entdeckung derartiger metallfreier Sterne würde das
Szenario von Thomas Greif und seinen Kollegen bestätigen.
Thomas Greif, Volker Springel, Simon White, Simon Glover, Paul Clark, Rowan Smith, Ralf Klessen, Volker Bromm
Referenzen:
Thomas H. Greif, Volker Springel, Simon D. M. White, Simon C. O. Glover,
Paul C. Clark, Rowan J. Smith, Ralf S. Klessen, Volker Bromm:
"Simulations
on a Moving Mesh: The Clustered Formation of Population III Protostars",
submitted to ApJ
http://de.arxiv.org/abs/1101.5491
Paul C. Clark, Simon C. O. Glover, Rowan J. Smith, Thomas H. Greif, Ralf
S. Klessen, Volker Bromm:
"The Formation and Fragmentation of Disks around
Primordial Protostars". Science Express, 3 February 2011, doi:
10.1126/science.1198027
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