Labormessungen molekularer Vorgänge liefern neue Erkenntnisse über die Frühzeit des Kosmos

Kreißsaal für Sterne

New York (USA) - Wie sind nach dem Urknall die ersten Sterne entstanden, welche Masse hatten sie und wie haben sie die kosmische Strukturbildung beeinflusst? Die Antworten auf diese Fragen hängen stark davon ab, wie die kontrahierenden Gaswolken, aus denen die ersten Sterne entstanden sind, ihre Wärmeenergie nach außen abführen konnten. Ein internationales Forscherteam hat nun einen für diese Kühlung entscheidenden Prozess, die Bildung von molekularem Wasserstoff, im Labor mit hoher Genauigkeit vermessen. Die Ergebnisse dieser Messungen verringern die Unsicherheiten numerischer Simulationen der ersten Sternentstehungsphase um einen Faktor von 10, schreiben die Wissenschaftler im Fachblatt "Science".

Sterne entstehen, wenn große Gaswolken sich durch ihre Eigengravitation zusammenziehen. Bei diesem Prozess muss das Gas Wärme nach außen abführen können. Im heutigen Kosmos spielen schwere Elemente eine wichtige Rolle bei den Kühlungsprozessen. Im frühen Kosmos gab es diese schweren Elemente, die nur im Inneren von Sternen entstehen, noch nicht. Die Kühlung konnte damals nur über wenig effektive Mechanismen des molekularen Wasserstoffs ablaufen.

Doch die Entstehung des molekularen Wasserstoffs ist bislang nur sehr ungenau bekannt. Eben diesen Prozess, die Bildung von molekularem Wasserstoff aus Wasserstoff-Atomen und negativen Wasserstoff-Ionen, haben Holger Kreckel von der Columbia University in New York und seine Kollegen aus den USA und Tschechien mit einem speziellen Versuchsaufbau nachgestellt. Die Forscher schossen dazu Strahlen aus Wasserstoff-Atomen und -Ionen bei unterschiedlichen Energien aufeinander und maßen die Produktionsrate von molekularem Wasserstoff in Abhängigkeit von den Eingangsenergien. Die so gewonnenen Werte können nun als Input für die Simulation der Sternentstehung im frühen Kosmos verwendet werden.

Die Experimente von Kreckel und seinem Team erlauben so künftig eine erheblich genauere Bestimmung der Massenverteilung der ersten Sterne im Kosmos. Die Kenntnis dieser Sternmassen ist wiederum wichtig für das Verständnis der Entstehung der großräumigen Strukturen - Galaxien, Galaxienhaufen, Filamente - im Universum. "Ein faszinierender Aspekt dieser Untersuchung ist", so kommentiert Volker Bromm von der University of Texas in einem begleitenden Perspektiven-Artikel in "Science", "dass mikrophysikalische Prozesse großräumige, kosmologische Implikationen haben können."