Die relative Nähe von lediglich 186 Lichtjahren vom Sonnensystem macht den Stern HD 140283 zu einem Kandidaten für hoch präzise Altersbestimmung. Das Ergebnis überrascht, ist er doch mit 13,2 Mrd. Jahren fast so alt wie das Universum.
Ein Beitrag von Lars-C. Depka. Quelle: Pennsylvania State University, Pennsylvania/USA, eigene Recherche.
(Bild: ESO)
Einer der Methusalems des Universums befindet sich in unmittelbarer Nachbarschaft unseres Sonnensystems. Mit 13,2 Mrd. Jahren ist bislang kein älterer Stern bekannt, dessen Alter ähnlich präzise ermittelt wurde. Seit mehr als seinem Jahrzehnt widmet sich die Wissenschaft nunmehr dem altehrwürdigen Sterngreis. Er setzt sich fast ausschließlich aus Wasserstoff und Helium zusammen, was als eindeutiges Indiz seines langen Daseins zu werten ist. Nach heutigem Verständnis entstanden drei Minuten nach dem Urknall die ersten chemischen Elemente. In Massenanteilen betrachtet, nimmt mit 76% aller Elemente des frühen Universums der Wasserstoff den Spitzenplatz ein, gefolgt von Helium mit 24% und sehr geringer Mengen Lithium. Alle anderen Elemente mussten über Äonen im Inneren der Sterne sukzessive erbrütet werden. Auch heute noch sind von 1.000 Atomen im Universum im Schnitt 900 Wasserstoffatome und 99 Heliumatome.
Um das Alter eines beliebigen Sternes zu bestimmen, sind gleich mehrere verschiedene Schritte erforderlich. Zu Beginn steht einstweilen die möglichst genaue Ermittlung der Entfernung, in welcher sich der Stern zu uns befindet. In unmittelbarem Zusammenhang mit der Entfernung steht darüber hinaus die Helligkeit, mit der der Stern am Nachthimmel erscheint. Eine annähernd belastbare Entfernungsbestimmung ist in der Astronomie erst seit dem Jahr 1836 möglich.
Den deutschen Astronomen Otto W. von Struve und Friedrich W. Bessel gelang es, mittels der parallaktischen Entfernungsmessung die Distanzen von Wega, 61 Cygni und Alpha Centauri zu bestimmen. Mit der Sonne im Zentrum und der Erde auf ihrer Umlaufbahn wird ein Stern von der Erde aus gesehen im Laufe des Jahres in unterschiedlicher Richtung zu finden sein. Diese Tatsache eröffnete Astronomen nun die Möglichkeit, die ursprünglich bei der Landvermessung benutzte Methode der geometrischen Bestimmung der Entfernung eines Objekts einzusetzen.
Man peilt ein Objekt an, stellt die Richtung fest, bewegt sich über eine genau messbare Entfernung weiter, peilt das Objekt mit seiner nun anderen Richtung noch einmal an und benutzt die Geometrie des sich daraus bildenden Dreiecks, um die Entfernung zu berechnen. Allerdings ist die einfache geometrische Abstandsbestimmung auch mit einigen gravierenden Nachteilen behaftet: Zum einen gestaltet sie sich relativ umständlich und zeitintensiv, zum anderen liefert sie bei steigendem Abstand immer ungenauere Ergebnisse.
Um 1900 waren nichtsdestotrotz die parallaktischen Entfernungen ausreichend vieler Sterne bekannt, um sie auch physikalisch sinnvoll miteinander vergleichen zu können. Dieser Vergleich lieferte ein elegantes Diagramm, durch dessen Namensgebung zwei federführende Köpfe geehrt wurden: das Hertzsprung-Russell-Diagramm (HRD). In dem Diagramm wird die Menge des empfangenen Lichts, korrigiert für die Entfernung des Sterns, gegen den Spektraltyp (aus einem Spektrum abzulesen) des Sterns aufgetragen. Der Spektraltyp ist etwas vereinfacht gesagt die „Farbe“ des Sterns und ein Maß für die Temperatur an seiner Oberfläche. Mit dem HRD wurde eine eindeutige Anordnung der möglichen Sterneigenschaften (Helligkeit und Oberflächenbeschaffenheit) sichtbar: Die allermeisten Sterne befinden sich in einer sehr kleinen Region dieses Diagramms, auf der sogenannten Hauptreihe.
Sterne haben also genau definierbare Eigenschaften. Insbesondere senden Sterne eines bestimmten Typs immer die gleiche Lichtmenge aus. Wenn man den Typ (mit Hilfe von Spektren) erkennen kann, dann ist genau bekannt, wie viel Licht man von dem Stern bekommen müsste. Sieht man weniger, so ist der Stern weiter entfernt als sein Referenzobjekt, und umgekehrt.
Diese Möglichkeit der Entfernungsbestimmung bildet die Basis aller astronomischen Methoden zur Bestimmung der Entfernungen. Anhand der Distanz und der scheinbaren Helligkeit lässt sich also die absolute Helligkeit eines Objekts am Nachthimmel ermitteln. Dem Beobachter, egal ob Profi oder Amateur, stellt sich zunächst einmal nur die scheinbare Helligkeit der Sterne dar. Um ihre wahre Helligkeit oder die absolute Leuchtkraft vergleichbar zu ermitteln, müssten sie alle in der gleichen Entfernung zum Betrachter stehen. Eine solche „Standardentfernung“ hat man historisch betrachtet einigermaßen willkürlich auf 32,6 Lichtjahre oder aber 10 Parsec festgelegt.
Der Unterschied zwischen der Hilfsgrößen der scheinbaren und absoluten Helligkeit, das sogenannte „Entfernungsmodul“, lässt vereinfacht gesagt präzise Rückschlüsse auf die Entfernung des Objekts zu, da das Entfernungsmodul in festem Zusammenhang mit der Distanz zwischen Betrachter und Objekt steht.
Im Fall von HD 140283 kam hilfreich der Umstand hinzu, dass alte Sterne innerhalb ihrer Kernregion kaum noch über Wasserstoff verfügen. Ist dieser Fall erst einmal eingetreten, so beginnt die Fusion von Helium. Größere Sterne erzeugen infolge ihrer Masse auch einen stärkeren Gravitationsdruck, wodurch am Ende auch schwerere Elemente durch Fusion entstehen (bis zum Eisen, Massenzahl 56). Derartige Fusionen liefern immer weniger Energie und benötigen immer höhere Fusionstemperaturen. Elemente mit noch größeren Massenzahlen als 56 können nicht mehr auf diese Weise entstehen, da entsprechende Fusionen endotherm sind, d. h. weniger Energie liefern, als sie für ihre eigene Erhaltung benötigen. Die in den fortgeschrittenen Stadien eines Sternlebens zu beobachtende abnehmende Leuchtkraft ist deshalb ein wesentlicher Indikator für ein hohes Sternenalter.
Unter Berücksichtigung statistischer Fehler ergibt sich für HD 140283 ein Alter im Bereich zwischen 13,2 und 13,9 Mrd. Jahren, wobei bei einem Alter des Universums von rund 13,77 Mrd. Jahren das Maximalalter des Sterns getrost in den Bereich einer Fehlertoleranz von 700 Millionen Jahren angesiedelt werden kann.
Die eigentlich fast noch erstaunlichere Feststellung ist allerdings, dass der Stern trotz seines Mindestalters von 13,2 Mrd. Jahren offenkundig nicht zu der so lange gesuchten ersten Sternengeneration zählt.
Die allererste Sterngeneration formte sich aus primordialem Gas, in welchem kaum schwerere Elemente als Helium zu finden waren. Das bedeutet für HD 140283, dass seine chemische Komposition – eine zwar geringe, aber eben doch keine sogenannte „Nullhäufigkeit“ an schweren Elementen, das Resultat einer (seiner) Geburt nach der ersten stellaren Generation sein muss. Die Umstände zur Ausbildung der zweiten Generation müssen also wesentlich früher, als bislang angenommen, gegeben gewesen sein.
Das Standardszenario sieht die Entstehung der allerersten Sterne des Universums einige hundert Millionen Jahre nach dem Urknall. Unglaublich massereich und dadurch kurzlebig, starben sie in gewaltigen Hypernovae. Die Explosionen verteilten nicht nur die schwereren Elemente in der Umgebung der toten Riesensterne, sie heizten auch das umgebende Gas auf. Bevor nun aber ein neuer Stern aus diesem Gas und und den schwereren Elementen entstehen kann, muss das Gas auf eine bestimmte Temperatur abkühlen.
Das hohe Alter des Sterns der zweiten Generation HD 140283 deutet nun darauf hin, dass diese Abkühlphase mit vielleicht nur einigen Dutzend Millionen Jahren bedeutend kürzer als allgemein hin angenommen ausgefallen sein könnte.
