Künstlerische Darstellung eines jungen Sterns, umgeben von einer protoplanetaren Scheibe. Als die Kernfusion zum ersten Mal im zentralen Kern unserer Sonne entzündet wurde, sah unser Sonnensystem möglicherweise sehr ähnlich aus. (ESO / L. CALÇADA)

Wie war es, als unser Sonnensystem entstand?

Was vor 4,56 Milliarden Jahren geschah, ist der wichtigste Teil der kosmischen Geschichte, die uns jemals widerfahren ist.

Wenn Sie sich unser Universum zur Zeit der Entstehung unseres Sonnensystems ansehen würden, würde nichts ungewöhnlich aussehen. Die Milchstraße scheint relativ isoliert zu sein: das zweitgrößte Mitglied einer relativ kleinen Gruppe von Galaxien. Kleine Zwerggalaxien verschmelzen langsam und werden von größeren Galaxien erobert, genau wie sie es im ganzen Universum tun würden. In der gesamten Milchstraße leuchten bereits Hunderte von Milliarden von Sternen, und gelegentlich ziehen sich Gasklumpen entlang ihrer Spiralarme zusammen, um neue Wellen der Sternentstehung auszulösen. In unserer Galaxie sind zu jeder Zeit zehn bis hundert dieser Regionen aktiv.

In einer dieser Regionen bildeten sich 9,2 Milliarden Jahre nach dem Urknall unsere Sonne, Planeten und unser Sonnensystem. So war es, als das Universum das machte, was uns werden würde.

Der sehr junge Protostar M17-SO1, aufgenommen mit dem Subaru-Teleskop. Dieses sich neu bildende Objekt ist auf eine kollabierende Gaswolke zurückzuführen und wird eines Tages zum Stern, ist es aber noch nicht. (SUBARU / NAOJ)

Gaswolken haben sich in über 99% der Geschichte des Universums zu Sternen zusammengezogen, aber Systeme wie unser waren nicht immer möglich. Es dauerte Generationen von Sternen, die lebten und starben, ihren Brennstoff verbrannten, Supernova gingen, ihre äußeren Schichten abblasen und Kollisionen zwischen weißen Zwergen und Neutronensternen und Neutronensternen hatten, um unsere Galaxie mit den schweren Elementen zu füllen, die wir später hatten Bedürfnis nach Leben.

Nur mit diesen Rohstoffen hatte unser Sonnensystem das Potenzial, uns hervorzubringen. Aber damit wir mit den Eigenschaften, die wir hatten, existieren konnten, mussten eine ganze Reihe anderer Dinge genau richtig sein.

Spiralgalaxien haben die Form eines Pfannkuchens: Das Gas in ihnen befindet sich in einer dünnen Scheibe, die zur Mitte hin dichter und am Rande weniger dicht ist. Während sie sich drehen, drehen sich die Innenteile öfter als die Außenteile; Galaxien drehen sich unterschiedlich und nicht wie eine sich drehende Schallplatte.

Die schwersten Elemente winden sich bevorzugt in Richtung der zentralen Regionen, während sich die leichteren Elemente am Stadtrand winden. Unser Sonnensystem bildete sich aus einer Gaswolke etwa auf halber Strecke zum Rand der Scheibe, etwa 25.000 Lichtjahre vom Zentrum entfernt, im zentralen Teil der Scheibe, wenn Sie sie in Längsrichtung schneiden. Als sich unser Sonnensystem zum ersten Mal bildete, bestanden wir aus etwa 70% Wasserstoff und 28% Helium, und nur etwa 2% von allem anderen zusammen. Dies stellt jedoch einen langen Weg seit dem Urknall dar, bei dem alles zu 75% aus Wasserstoff, zu 25% aus Helium und praktisch zu nichts anderem bestand.

Die abgebildete Säule besteht aus Gas und Staub und befindet sich in einem stürmischen Sternenkindergarten namens Carina-Nebel, der sich 7500 Lichtjahre entfernt im südlichen Sternbild Carina befindet und von Hubble im sichtbaren Licht abgebildet wird. Die Sterne, die sich im Inneren bilden, haben wahrscheinlich alle die gleichen Elementverhältnisse, mit noch schwereren Elementen als unsere Sonne. (NASA, ESA UND DAS HUBBLE SM4 ERO TEAM)

Die meisten Sterne bilden sich in Galaxien wie unseren - in entwickelten Spiralgalaxien, die relativ leise sind -, wenn Gaswolken in der Scheibe durch einen der Spiralarme strömen. Material wird in diese Wolken geschleust und erreicht eine noch höhere Dichte als zuvor, was häufig zu einem Gravitationskollaps führen kann. Wenn der Zusammenbruch eintritt, zersplittern diese Gaswolken, die sich auf das Tausend- bis Millionenfache der Sonnenmasse belaufen können, in unzählige kleine Klumpen.

Die größten Klumpen, die zuerst gebildet werden, ziehen die meisten Stoffe an und wachsen zu den größten Sternen heran. Kleinere Klumpen wachsen langsamer, und Klumpen, die sich miteinander verbinden, beschleunigen ihr Wachstum. Innerhalb dieser sternbildenden Regionen beginnt ein Wettlauf: Zwischen der Schwerkraft, der Formung und dem Wachstum von Sternen und der Strahlung, die von den heißesten Sternen emittiert wird, um sich neu zu formen.

Der Adlernebel enthält Tausende neuer Sterne, einen brillanten zentralen Sternhaufen und verschiedene verdampfende gasförmige Kügelchen mit aktiver Sternentstehung und eigenen brillanten jungen Sternen. (NASA / ESA & HUBBLE; WIKISKY TOOL)

Mit der Zeit wird klar, wer die großen Gewinner sein werden: Die massereichsten Sterne können zehn- oder sogar hundertmal so massereich sein wie unsere Sonne und tausend- bis millionenfach so leuchtende Strahlung abgeben wie unser eigener Stern. Dies sind die Kolosse, die die aktiven Sternentstehungsgebiete zerstören, indem sie das Gas verdampfen lassen.

Aber die Schwerkraft ist ein hartnäckiger Konkurrent. Es zieht Gas in eine Vielzahl von Regionen. Während ein großer, sternbildender Nebel zehn oder sogar hunderte massereicher Sterne bilden kann, wird er hunderte Male so viele massearme Sterne bilden. Während die hellsten, heißesten und bläulichsten Sterne schon früh die ganze Aufmerksamkeit auf sich ziehen, blitzen sie nur auf einer kosmischen Skala auf. In ein paar Millionen Jahren werden sie alle verschwunden sein.

Ein einziger monströser Stern, Herschel 36, scheint so hell wie 200.000 Sonnen im Herzen des Lagunennebels. Während sichtbares Licht (L) das Vorhandensein von Gas und Staub bei verschiedenen Temperaturen und aus verschiedenen Elementen besteht, zeigt die Infrarotansicht rechts die unglaubliche Menge an Sternen, die sich im sichtbaren Teil des Spektrums hinter dem Nebel verstecken. Diese Sterne im Nebel können von Hubble bei den zugänglichen Wellenlängen nicht vollständig aufgelöst werden, aber James Webb wird dorthin gelangen. Der massive Stern Herschel 36 wird wahrscheinlich sterben, bevor sich die Sterne im Inneren überhaupt gebildet haben. (NASA, ESA UND STSCI)

Sie sagen, dass die Flamme, die doppelt so hell brennt, nur halb so lang brennt, aber für Sterne ist es noch schlimmer. Ein Stern, der doppelt so schwer ist wie ein anderer, verbrennt seinen Treibstoff etwa achtmal so schnell. Im Vergleich zu einem Stern wie unserer Sonne, der 10 bis 12 Milliarden Jahre dauern könnte, wird ein zehn- oder sogar hundertmal so massereicher Stern höchstens einige Millionen Jahre lang leben.

Während unser frühes Sonnensystem immer noch Materie ansaugt, wächst und daran arbeitet, zusammenzubrechen, um einen von Planeten umkreisten Zentralstern zu bilden, verbrennen die massereichsten Sterne um es herum wütend durch ihren Brennstoff, gehen in Supernova über und setzen dem Stern ein Ende. Bildung in der Umgebung. Das Universum ist ein gewalttätiger Ort, und Sternentstehungsgebiete sind einige der gewalttätigsten Orte überhaupt.

Das Klassifizierungssystem der Sterne nach Farbe und Größe ist sehr nützlich. Durch die Untersuchung unserer lokalen Region des Universums stellen wir fest, dass nur 5% der Sterne größer oder gleich unserer Sonnenmasse sind. Es ist tausendfach so hell wie der dunkelste rote Zwergstern, aber die massereichsten O-Sterne sind millionenfach so hell wie unsere Sonne. (KIEFF / LUCASVB VON WIKIMEDIA COMMONS / E. SIEGEL)

Aber unser Sonnensystem ist auch nicht genau am unteren Ende der Dinge. Der zentrale Stoffklumpen, der in unsere Sonne hineinwächst, hat früher begonnen und ist schneller gewachsen als die große Mehrheit der vorhandenen Stoffklumpen. Wenn wir heute einen Blick auf unsere Sonne werfen und sie mit allen anderen Sternen im Universum vergleichen, ist dies eine überraschende Tatsache: Sie ist massereicher als 95% aller Sterne da draußen.

Tatsächlich sind zwischen 75% und 80% aller Sterne Sterne der roten Zwerge (M-Klasse): die massearmste, coolste und kleinste Klasse von Sternen, die es gibt. Von den restlichen Sternen sind mehr als die Hälfte die nächsthöhere Klasse: die K-Klasse, die immer noch kleiner, weniger massereich und kühler als unsere Sonne ist. Die Menge an Materie, die sich zu uns zusammenballte, war in Bezug auf die Masse überdurchschnittlich und typisch für eine sehr wichtige Sache: Wir waren allein.

Sternentstehungsregionen wie die im Orionnebel im sichtbaren Licht (L) und im Infrarotlicht (R) sind typisch für Sternensysteme, einschließlich einzelner Sterne wie unseres und binärer, trinärer und noch größerer Mehrsternsysteme erstellt werden. (NASA; KL LUHMAN (HARVARD-SMITHSONIAN CENTER FOR ASTROPHYSICS, CAMBRIDGE, MASS.) UND G. SCHNEIDER, E. YOUNG, G. RIEKE, A. COTERA, H. CHEN, M. RIEKE, R. THOMPSON (STEWARD OBSERVATORY) , UNIVERSITY OF ARIZONA, TUCSON, ARIZ.); NASA, CR O'DELL UND SK WONG (RICE UNIVERSITY))

In den meisten großen Sternentstehungsgebieten, die wir in Milchstraßengalaxien finden, werden Tausende neuer Sterne geboren. Von diesen werden viele in Mehrsternsystemen zusammengebunden sein, während ungefähr die Hälfte von ihnen, insgesamt, Einzelsterne ohne einen weiteren Sternbegleiter sein werden. Wir haben dies erst vor relativ kurzer Zeit gelernt, indem wir uns die Sterne in der Nähe der Erde angesehen haben, dank einer Zusammenarbeit, die als RECONS bekannt ist.

Das REsearch Consortium On Nearby Stars (RECONS) untersuchte alle Sterne, die innerhalb von 25 Parsec (ca. 81 Lichtjahre) gefunden wurden, und entdeckte insgesamt 2.959 Sterne. Von diesen waren 1533 Einzelsternsysteme, die restlichen 1426 wurden in binäre, trinäre oder noch komplexere Systeme eingebunden.

Warum ist unsere Sonne ein Einsternsystem und kein Mehrsternsystem? Reines Glück.

Dieses Diagramm zeigt die Entwicklung eines Sterns mit einer Sonnenmasse auf dem H-R-Diagramm von seiner Phase vor der Hauptsequenz bis zum Ende der Fusion. Jeder Stern jeder Masse wird einer anderen Kurve folgen, aber es dauert Millionen von Jahren, bis sich die Gaswolke, die unsere Sonne werden würde, beruhigt und mit der Fusion begonnen hat. (WIKIMEDIA COMMONS USER SZCZUREQ)

Im Laufe der Jahre sammelte sich das Fragment der Gaswolke, das sich in unser Sonnensystem verwandelte, größtenteils in einem zentralen Klumpen an. Die Moleküle strahlen Wärme ab und lassen diese Wolke in unsere Sonne hineinwachsen, während durch den Gravitationskollaps gleichzeitig die Temperatur im Zentrum steigt und steigt. Irgendwann wird eine kritische Schwelle erreicht: eine Temperatur von 4 Millionen K, bei der einzelne Protonen durch den Prozess der Kernfusion zu schwereren Elementen verschmelzen können.

Dies ist der Moment, in dem ein Stern offiziell als lebendig gilt. Nach unserem besten Wissen geschah dieser Moment vor 4,56 Milliarden Jahren, als das Universum ungefähr 2/3 seines gegenwärtigen Alters betrug. Zu diesem Zeitpunkt wurde unser Sonnensystem offiziell gegründet.

30 protoplanetarische Scheiben oder Proplyds, wie sie von Hubble im Orionnebel abgebildet wurden. Hubble ist eine hervorragende Ressource zum Identifizieren dieser Plattensignaturen in der Optik, kann jedoch die internen Merkmale dieser Platten selbst von ihrer Position im Weltraum aus kaum untersuchen. Viele dieser jungen Stars haben erst kürzlich die Protosternphase verlassen. (NASA / ESA UND L. RICCI (ESO))

In den letzten Jahren ist es uns endlich gelungen, Sonnensysteme in diesen sehr frühen Stadien der Entstehung zu beobachten und zentrale Sterne und Protosterne zu finden, die von Gas, Staub und Protoplanetenscheiben mit Lücken umgeben sind. Dies sind die Keime dessen, was zu riesigen und felsigen Planeten werden wird, die zu voll funktionsfähigen Sonnensystemen wie unserem führen. Obwohl sich die meisten Sterne - wahrscheinlich auch unsere - unter Tausenden von anderen in massiven Sternhaufen gebildet haben, gibt es einige Ausreißer, die sich relativ isoliert bilden.

20 neue protoplanetare Scheiben, wie sie im Rahmen des DSHARP-Projekts (Disk Substructures at High Angular Resolution Project) abgebildet wurden, zeigen, wie neu entstehende Planetensysteme aussehen. (S. M. ANDREWS ET AL. UND DIE DSHARP-ZUSAMMENARBEIT, ARXIV: 1812.04040)

Obwohl die Geschichte des Universums uns später möglicherweise von all unseren Stern- und Planetengeschwistern von dem Nebel trennt, den sie vor Milliarden von Jahren gebildet und über die Galaxis verstreut haben, bleibt unsere gemeinsame Geschichte bestehen. Immer wenn wir einen Stern finden, der ungefähr so ​​alt und so schwer ist wie unsere Sonne, wundern wir uns: Ist dies eines unserer längst verlorenen Geschwister? Die Galaxie ist wahrscheinlich voll von ihnen.

Lesen Sie weiter, wie das Universum war, als:

  • Wie war es, als das Universum aufgeblasen wurde?
  • Wie war es, als der Urknall begann?
  • Wie war es, als das Universum am heißesten war?
  • Wie war es, als das Universum zum ersten Mal mehr Materie als Antimaterie erschuf?
  • Wie war es, als die Higgs dem Universum Masse gaben?
  • Wie war es, als wir Protonen und Neutronen herstellten?
  • Wie war es, als wir die letzte Antimaterie verloren haben?
  • Wie war es, als das Universum seine ersten Elemente machte?
  • Wie war es, als das Universum zum ersten Mal Atome erzeugte?
  • Wie war es, als es im Universum keine Sterne gab?
  • Wie war es, als die ersten Sterne das Universum erleuchteten?
  • Wie war es, als die ersten Sterne starben?
  • Wie war es, als das Universum seine zweite Generation von Sternen machte?
  • Wie war es, als das Universum die ersten Galaxien machte?
  • Wie war es, als das Sternenlicht die neutralen Atome des Universums durchbrach?
  • Wie war es, als sich die ersten supermassiven Schwarzen Löcher bildeten?
  • Wie war es, als das Leben im Universum erstmals möglich wurde?
  • Wie war es, als Galaxien die meisten Sterne bildeten?
  • Wie war es, als sich die ersten bewohnbaren Planeten bildeten?
  • Wie war es, als das kosmische Netz Gestalt annahm?
  • Wie war es, als die Milchstraße Gestalt annahm?
  • Wie war es, als die dunkle Energie das Universum zum ersten Mal übernahm?

Starts With A Bang ist jetzt auf Forbes und dank unserer Patreon-Unterstützer auf Medium neu aufgelegt. Ethan hat zwei Bücher verfasst, Beyond The Galaxy und Treknology: The Science of Star Trek von Tricorders bis Warp Drive.