War das frühe Universum reich an Kohlenstoff?
DFG-ANR-Förderung für Französisch-Deutsches Forschungsprojekt

In einem interdisziplinären Forschungsprojekt zwischen dem Max Planck-Institut für Astronomie Heidelberg (MPIA) und den Universitäten Heidelberg und Montpellier (Frankreich) soll ein Rätsel gelöst werden, welches Astrophysikerinnen und Astrophysiker zurzeit intensiv beschäftigt: War das frühe Universum reich an Kohlenstoff? Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) und der französischen Agence Nationale de la Recherche (ANR) stellen nun insgesamt 900.000 Euro für dieses herausfordernde Vorhaben zur Verfügung.
 

Man spricht derzeit oft von einem goldenen Zeitalter der Astrophysik. Tatsächlich erfährt die Erforschung des Kosmos momentan einen herausragenden Schub neuer, spannender Erkenntnisse und beflügelt damit die physikalische Grundlagenforschung. Moderne boden- und weltraumgebundene Teleskope wie James Webb oder das Very Large Telescope bieten eine völlig neue Qualität der Beobachtung. Riesige Datenmengen aus Surveys wie mit Gaia oder Euclid erlauben die Beobachtung von Milliarden von Objekten über große astronomische Skalen hinweg. Zusammen mit den modernen Methoden der Datenwissenschaft und theoretischen Simulationen können sich Theorie und Beobachtung heute in nie dagewesener Weise befruchten und miteinander verschmelzen.

Millionen von Sternspektren

Auch im Bereich groß angelegter spektroskopischer Untersuchungen ist ein neues Zeitalter angebrochen. Spektren sind für die Astrophysik extrem wichtig. Das bei Ihnen in einzelne Wellenlängen zerlegte Licht ist wie ein Fingerabdruck und offenbart eine Vielzahl von physikalischen Eigenschaften von Objekten – darunter auch deren chemische Zusammensetzung.

Mit 4MOST (4-meter Multi-Object Spectroscopic Telescope) am 4m-VISTA-Teleskop des Paranal-Observatoriums der ESO in Chile, steht ein hochmodernes Großinstrument zur Verfügung, mit dem über 2500 Spektren gleichzeitig aufgenommen werden können. Das Projekt, an dem auch das MPIA maßgeblich beteiligt ist, wird Millionen hochwertiger Spektren von Sternen unseres Milchstraßensystems und seiner Außenbereiche liefern. Damit bietet sich die einzigartige Gelegenheit, grundsätzliche wissenschaftliche Rätsel zu erforschen, deren Lösung von der Identifizierung seltener Objekte abhängt – also praktisch davon, jene „Nadeln im Heuhaufen“ zu finden, die bisher verborgen waren.

Eine dieser grundlegenden Fragen ist: War das frühe Universum reich an Kohlenstoff?
Noch kennen wir die Antwort nicht, aber sie soll nun in dem jetzt geförderten DFG-ANR-Projekt beantwortet werden!

Erste Sterngeneration aus kohlenstoffhaltigem Staub?

Anlass für diese Frage ist die Entdeckung von kohlenstoffangereicherten aber gleichzeitig metallarmen sogenannten CEMP – Sternen, die teilweise als direkte Nachkommen der ersten Sterngeneration nach der Entstehung des Universums gelten. CEMP-Sterne weisen einen unerwartet hohen Kohlenstoffgehalt auf. Im Verhältnis zu Eisen übersteigt ihr Kohlenstoff-Eisen-Verhältnis das von „normalen Sternen“ wie unserer Sonne um das 10- bis 100-Fache, während der Anteil anderer schwerer Elemente um das 100- bis 1000-Fache vermindert ist.

Wie diese Sterne zu Ihrer extremen Kohlenstoffanreicherung gekommen sind, ist jedoch (noch) ungeklärt. Möglicherweise waren die frühesten Phasen des Universums reich an kohlenstoffhaltigem Staub – ein Szenario, das auffallend gut mit den jüngsten Nachweisen durch das James Webb Weltraumteleskop von Kohlenstoffanreicherung und Staub in Galaxien mit hoher Rotverschiebung und damit in frühen Epochen des Universums übereinstimmt.

Vielleicht hat eine effiziente Gasfragmentierung die Entstehung von Sternen geringer Masse (und langer Lebensdauer) zu einer beträchtlichen Population solcher Sterne der ersten Generation in der Milchstraße begünstigt. Falls ja, könnte dies zu einer beträchtlichen Population solcher massearmer Sterne der ersten Generation – auch als Population III bezeichnet – in der Milchstraße führen.

„Anhand neuer hochaufgelöster 4MOST-Spektren werden wir die Kohlenstoffhäufigkeiten von über 50.000 extrem metallarmen Sternkandidaten in der galaktischen Scheibe und im Bulge bestimmen. Diese Messungen werden mit Modellen zur Sternentstehung der Population III - Sterne abgeglichen, was neue Einblicke in die Eigenschaften der ersten Sterne der Milchstraße liefern wird“, sagt Maria Bergemann, unabhängige Lise Meitner Gruppenleiterin der Forschungsgruppe Stellare Spektroskopie und Sternpopulationen am MPIA. „Unser Ziel ist es, die CEMP-Befunde entscheidend zu überprüfen: Sind metallarme Sterne tatsächlich kohlenstoffangereichert, wie Beobachtungen nahelegen? Alle bisherigen Beobachtungsstudien stützten sich bei der Kohlenstoffdiagnostik auf stark vereinfachte 1D-LTE-Modelle, doch eine Verifizierung, ob diese Annahme legitim ist, steht noch aus.“

Förderung für interdisziplinäres Deutsch-Französisches Projekt

Gemeinsam mit Partnern an den Universitäten Montpellier und Heidelberg soll diese Frage nun im Rahmen eines stark interdisziplinären Programms beantwortet werden. Dabei werden Methoden der molekularen Quantenmechanik, des maschinellen Lernens, die Anwendung von Sternmodellen (insbesondere der Pop-III-Sternentstehung) und beobachtende Spektroskopie kombiniert.

Das Projekt wird die molekulare Sterndiagnostik als leistungsfähigen neuen Ansatz etablieren, um die stellare Nukleosynthese abzubilden, die chemische Anreicherung der Milchstraße nachzuverfolgen und den Ursprung sowie die Entwicklung der frühesten Sterngenerationen aufzudecken.

Für diese Herausforderung ist eine Zusammenarbeit zwischen den Gruppen unter der Leitung von Simon Glover (Universität Heidelberg), Bertrand Plez und Yohann Scribano (Universität Montpellier, LUPM) sowie Maria Bergemann (MPIA) geplant.

Die Gesamtfördersumme beläuft sich auf etwa 900.000 Euro, wovon etwa eine halbe Million an die Projektpartner in Deutschland geht. Maria Bergemann erhält Fördermittel für eine Postdoc-Stelle, und insgesamt gehen etwa 353.000 Euro an das MPIA.

ANR-DFG French-German Collaboration for Joint Projects in Natural, Life and Engineering Sciences