Astronomie

Könnten sich Sterne der Population III direkt zu Sternen der Population I entwickeln?

Könnten sich Sterne der Population III direkt zu Sternen der Population I entwickeln?



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Hunderte von Millionen Jahren nach dem Urknall begannen sich die allerersten Sterne zu bilden, die hauptsächlich aus Wasserstoff, etwas Helium und vielleicht etwas Lithium bestanden. Diesen Sternen fehlten jegliche "Metalle" (Elemente, die schwerer als Helium sind) und werden als Sterne der Population III kategorisiert. Wir haben noch keinen dieser Pop-III-Stars beobachtet, und eine Beobachtung bleibt unwahrscheinlich. Der Grund dafür ist, dass Pop-III-Stars für unglaublich massiv gehalten werden, sodass sie vor so langer Zeit ausgestorben sind, dass wir ihr Licht nicht mehr sehen können. Pop-I-Stars sind reich an Metal; ihre Metallizität ist 1/10 bis 3 mal höher als die unserer Sonne. Bei meinen Recherchen scheint jeder zuzustimmen, dass die Sterne der ersten Generation kein Metall hatten, die Sterne der zweiten Generation sehr wenig und die Sterne der dritten Generation etwas Metall hatten. Aber niemand spricht jemals die Möglichkeiten an. Ist es also möglich, dass einige Pop III-Stars so massiv waren, dass sie Pop II überspringen und direkt zu Pop I übergehen konnten? Vielleicht, wenn mehrere in der Nähe sind, wenn sie zur Supernova werden?


Nein, sie konnten nicht. Sterne der Population I enthalten Elemente wie Strontium, Barium, Gold, Blei usw., die nicht gebildet (viel) in Supernovae vom Typ II (Kernkollaps). Sie sind auch viel reicher an Eisen, Nickel, Mangan usw. als Sterne, die aus nur durch Supernovae angereichertem Gas gebildet werden.

Sterne der Population I (wie die Sonne) können als Sterne der dritten Generation bezeichnet werden, weil sie Material enthalten, das mindestens zwei Sterne durchquert hat - aber nicht nur zwei massereiche Sterne, die als Supernovae explodierten.

Eisenspitzenelemente werden hauptsächlich von Supernovae vom Typ Ia gebildet und verbreitet, bei denen es sich um explodierende Weiße Zwerge handelt. Weiße Zwerge sind die Überreste von massearm Sterne mit langem Leben.

Viele schwere Elemente (Strontium, Barium, Blei usw.) werden durch den s-Prozess in Sternen mittlerer Masse gebildet, die auch (relativ) lange leben und nicht als Supernovae explodieren. Darüber hinaus erfordert dieser Neutroneneinfang Eisenkerne, die als Keime fungieren, sodass diese Sterne wiederum aus Material gebildet sein müssen, das bereits mit Eisenkernen angereichert ist.

Es wird jetzt auch angenommen, dass andere Elemente (Silber, Gold, Osmium usw.) durch die Verschmelzung von Neutronensternen gebildet werden, wobei es eine erhebliche Verzögerung zwischen den anfänglichen Supernovae, die die Neutronensterne erzeugten, und der anschließenden Verschmelzung durch Orbitalzerfall geben muss.


Bester Beobachtungsnachweis für Sterne der ersten Generation im Universum

Astronomen haben lange die Existenz einer ersten Generation von Sternen theoretisiert – bekannt als Sterne der Population III – die aus dem Urmaterial des Urknalls geboren wurden [1]. Alle schwereren chemischen Elemente – wie Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenstoff und Eisen, die lebensnotwendig sind – wurden in den Bäuchen der Sterne geschmiedet. Dies bedeutet, dass sich die ersten Sterne aus den einzigen Elementen gebildet haben müssen, die vor den Sternen existierten: Wasserstoff, Helium und Spuren von Lithium.

Diese Sterne der Population III wären enorm gewesen – mehrere hundert oder sogar tausendmal massereicher als die Sonne – glühend heiß und vergänglich – und würden nach nur etwa zwei Millionen Jahren als Supernovae explodieren. Doch bis jetzt war die Suche nach physikalischen Beweisen für ihre Existenz ergebnislos [2].

Ein Team unter der Leitung von David Sobral vom Institut für Astrophysik und Weltraumwissenschaften, der Fakultät für Naturwissenschaften der Universität Lissabon in Portugal und dem Leidener Observatorium in den Niederlanden hat jetzt das Very Large Telescope der ESO verwendet, um in das alte Universum zurückzublicken. bis zu einer Zeit, die als Reionisation bekannt ist, ungefähr 800 Millionen Jahre nach dem Urknall. Anstatt eine enge und tiefe Untersuchung eines kleinen Bereichs des Himmels durchzuführen, erweiterten sie ihren Anwendungsbereich, um die umfassendste Durchmusterung sehr weit entfernter Galaxien zu erstellen, die jemals versucht wurde.

Ihre umfangreiche Studie wurde mit Hilfe des VLT mit Hilfe des W. M. Keck Observatory und des Subaru Telescope sowie des NASA/ESA Hubble Space Telescope durchgeführt. Das Team entdeckte – und bestätigte – eine Reihe überraschend heller sehr junger Galaxien. Eines davon, mit der Bezeichnung CR7 [3], war ein außergewöhnlich seltenes Objekt, die bei weitem hellste Galaxie, die jemals im Universum beobachtet wurde [4]. Mit der Entdeckung von CR7 und anderen hellen Galaxien war die Studie bereits ein Erfolg, aber weitere Untersuchungen brachten weitere spannende Neuigkeiten.

Der X-Shooter und die SINFONI-Instrumente des VLT fanden eine starke ionisierte Heliumemission in CR7, aber – entscheidend und überraschend – keine Anzeichen schwererer Elemente in einer hellen Tasche in der Galaxie. Dies bedeutete, dass das Team den ersten guten Beweis für Cluster von Population-III-Sternen mit ionisiertem Gas in einer Galaxie im frühen Universum entdeckt hatte [5].

„Die Entdeckung hat unsere Erwartungen von Anfang an in Frage gestellt“, sagte David Sobral, „da wir nicht erwartet hatten, eine so helle Galaxie zu finden. Als wir dann Stück für Stück die Natur von CR7 enthüllten, verstanden wir, dass wir nicht nur von die mit Abstand hellste ferne Galaxie, aber sie begann auch zu erkennen, dass sie alle Eigenschaften hatte, die man von Sternen der Population III erwartet. Diese Sterne waren diejenigen, die die ersten schweren Atome bildeten, die uns letztendlich ermöglichten, hier zu sein. Es gibt nicht wirklich welche spannender als das."

Innerhalb von CR7 wurden blauere und etwas rötere Sternhaufen gefunden, was darauf hindeutet, dass die Bildung von Sternen der Population III in Wellen erfolgt war – wie vorhergesagt. Was das Team direkt beobachtete, war die letzte Welle von Sternen der Population III, was darauf hindeutet, dass solche Sterne leichter zu finden sein sollten als bisher angenommen: Sie befinden sich unter normalen Sternen, in helleren Galaxien, nicht nur in den frühesten, kleinsten und dunkelsten Galaxien, die sind so schwach, dass sie extrem schwer zu studieren sind.

Jorryt Matthee, Zweitautor des Artikels, schloss: „Ich habe mich immer gefragt, woher wir kommen. Schon als Kind wollte ich wissen, woher die Elemente kommen: das Kalzium in meinen Knochen, der Kohlenstoff in meinen Muskeln, das Eisen in mein Blut. Ich fand heraus, dass diese zuerst ganz am Anfang des Universums von der ersten Generation von Sternen gebildet wurden. Mit dieser Entdeckung beginnen wir bemerkenswerterweise, solche Objekte zum ersten Mal tatsächlich zu sehen."

Weitere Beobachtungen mit dem VLT, ALMA und dem Hubble-Weltraumteleskop der NASA/ESA sind geplant, um zweifelsfrei zu bestätigen, dass es sich bei dem Beobachteten um Sterne der Population III handelt, und um weitere Beispiele zu suchen und zu identifizieren.

[1] Der Name Population III entstand, weil Astronomen die Sterne der Milchstraße bereits in Population I (Sterne wie die Sonne, reich an schwereren Elementen und die Scheibe bildend) und Population II (ältere Sterne, mit einem geringen schweren Element) eingeteilt hatten Inhalt, und gefunden in der Ausbuchtung und Halo der Milchstraße und Kugelsternhaufen).

[2] Diese Sterne zu finden ist sehr schwierig: Sie wären extrem kurzlebig gewesen und hätten zu einer Zeit geleuchtet, als das Universum für ihr Licht weitgehend undurchsichtig war. Frühere Ergebnisse umfassen: Nagao et al., 2008, wo kein ionisiertes Helium nachgewiesen wurde De Breuck et al., 2000, wo ionisiertes Helium nachgewiesen wurde, jedoch neben Kohlenstoff und Sauerstoff, sowie klare Signaturen eines aktiven galaktischen Kerns und Cassata et al., 2013, wo ionisiertes Helium nachgewiesen wurde, jedoch von sehr geringer äquivalenter Breite oder schwacher Intensität, und neben Kohlenstoff und Sauerstoff.

[3] Der Spitzname von CR7 ist eine Abkürzung von COSMOS Redshift 7, ein Maß für seinen Platz in Bezug auf die kosmische Zeit. Je höher die Rotverschiebung, desto weiter entfernt die Galaxie und desto weiter zurück in der Geschichte des Universums wird sie gesehen. A1689-zD1 , eine der ältesten jemals beobachteten Galaxien, hat beispielsweise eine Rotverschiebung von 7,5.

CR7 befindet sich im COSMOS-Feld, einem intensiv untersuchten Himmelsfleck im Sternbild Sextans (Der Sextant).

Der Spitzname wurde von dem großen portugiesischen Fußballspieler Cristiano Ronaldo inspiriert, der als CR7 bekannt ist.

[4] CR7 ist dreimal heller als der vorherige Titelverteidiger Himiko, der als einzigartig galt.

[5] Das Team zog zwei alternative Theorien in Betracht: dass die Lichtquelle entweder von einem AGN- oder Wolf-Rayet-Sternen stammt. Das Fehlen schwerer Elemente und anderer Beweise widerlegen diese beiden Theorien nachdrücklich. Das Team ging auch davon aus, dass die Quelle ein direkt kollabierendes Schwarzes Loch sein könnte, das selbst außergewöhnliche exotische und rein theoretische Objekte sind. Das Fehlen einer breiten Emissionslinie und die Tatsache, dass die Helligkeiten von Wasserstoff und Helium viel größer waren als für ein solches Schwarzes Loch vorhergesagt, weisen darauf hin, dass auch dies unwahrscheinlich ist. Ein Mangel an Röntgenstrahlung würde diese Möglichkeit weiter widerlegen, aber es sind zusätzliche Beobachtungen erforderlich.


Fragen Sie Ethan: Wie nahe könnten sich zwei außerirdische Zivilisationen kommen?

Hier auf der Erde ist unser karger, unbewohnter Mond die uns am nächsten liegende Welt. Aber in vielen vorstellbar. [+] Fällen könnte es eine andere bewohnte Welt in der Nähe unserer eigenen geben, vielleicht sogar innerhalb unseres Sonnensystems. Wie nahe könnte man sein?

Hier auf dem Planeten Erde, im Orbit um die Sonne, sind wir das einzige intelligente Lebensspiel in der Stadt. Es mag Möglichkeiten für vergangenes Leben oder mikrobielles Leben anderswo im Sonnensystem geben, aber was intelligentes, komplexes, differenziertes und vielzelliges Leben angeht, ist das, was sich auf unserer Welt befindet, weit fortgeschrittener als alles andere, was wir hoffen können zu finden. Intelligente Außerirdische sind mindestens vier Lichtjahre entfernt, wenn sie da draußen in einer anderen Welt sind. Aber muss das für Außerirdische überall in der Galaxie der Fall sein? Das will unser Patreon-Unterstützer Jason McCampbell wissen:

Was sind [die] nächsten zwei unabhängigen intelligenten Zivilisationen, die interstellare Reisen ignorieren und davon ausgehen, dass sie sich in verschiedenen Sternensystemen entwickeln und ungefähr dem folgen, was wir als "Leben" kennen? Kugelsternhaufen können eine hohe Sternendichte aufweisen, aber schließt eine zu hohe Dichte die Bewohnbarkeit aus? Ein Astrophysiker in einem dichten Haufen hätte eine ganz andere Sicht auf das Universum und die Suche nach Exoplaneten.

Es gibt viele Schritte, die passieren müssen, um das Leben zu gestalten, aber die Zutaten dafür sind buchstäblich überall. Selbst wenn Sie sich darauf beschränken, nach Leben zu suchen, das (chemisch) wie wir aussieht, ist das Universum voller Möglichkeiten.

Atome können sich zu Molekülen verbinden, einschließlich organischer Moleküle und biologischer Prozesse, in . [+] interstellarer Raum sowie auf Planeten. Ist es möglich, dass das Leben nicht nur vor der Erde begann, sondern überhaupt nicht auf einem Planeten?

Sie müssen genug schwere Elemente bilden, damit Sie felsige Planeten, organische Moleküle und die Bausteine ​​des Lebens haben können. Das Universum wird nicht damit geboren! Nach dem Urknall besteht das Universum zu 99,999999% aus Wasserstoff und Helium, ohne Kohlenstoff, ohne Sauerstoff, ohne Stickstoff, Phosphor, Kalzium, Eisen oder einem der anderen für das Leben notwendigen komplexen Elemente. Um dorthin zu gelangen, müssen mehrere Generationen von Sternen leben, ihren Treibstoff verbrennen, bei einer Supernova-Explosion sterben und diese neu geschaffenen schweren Elemente in die nächste Generation von Sternen recyceln. Wir brauchen Neutronenstern-Neutronenstern-Verschmelzungen, um die schwersten Elemente, von denen viele für Lebensprozesse hier auf der Erde und in unserem Körper notwendig sind, in großen Mengen aufzubauen. Dies erfordert viel Astrophysik, um dies zu erreichen.

Der Omega-Nebel, auch als Messier 17 bekannt, ist eine intensive und aktive Region der Sternentstehung. [+] von der Kante aus betrachtet, was sein staubiges und balkenartiges Aussehen erklärt. Sterne, die sich zu unterschiedlichen Zeiten in der Geschichte des Universums bilden, haben unterschiedliche Häufigkeiten an schweren Elementen.

Obwohl sich die Erde über 9 Milliarden Jahre nach dem Urknall gebildet hat, musste das Universum nicht so lange warten. Wir klassifizieren Sterne in drei Populationen:

  • Bevölkerung I: Sterne wie die Sonne, wobei 1-2% der Elemente, aus denen sie bestehen, schwerer sind als Wasserstoff und Helium. Dieses Material ist sehr verarbeitet und führt zu Sonnensystemen mit einer Mischung aus Gasriesen und Gesteinsplaneten, die Leben beherbergen können.
  • Bevölkerung II: Dies sind meist ältere, unberührtere Sterne. Sie enthalten möglicherweise nur 0,001-0,1% der schweren Elemente der Sonne, und die meisten ihrer Welten sind diffuse, gasförmige Welten. Diese können für das Leben zu primitiv und zu arm an schweren Elementen sein.
  • Bevölkerung III: die ersten Sterne im Universum, die von schweren Elementen völlig unbefleckt sein müssen. Diese wurden noch nicht entdeckt, sind aber theoretisch die ersten Sterne überhaupt.

Wenn wir uns die frühesten Galaxien ansehen, sind sie voll von so ziemlich allen Sternen der Population II. Aber in der Nähe haben wir eine Mischung aus Jung und Alt, Metal-reichen und Metal-armen Stars.

Die Entfernungen zwischen der Sonne und vielen der hier gezeigten nächsten Sterne sind genau, aber jeder Stern . [+] – selbst die größten hier – würden weniger als ein Millionstel eines Pixels im Durchmesser haben, wenn dies maßstabsgetreu wäre. Bildnachweis: Andrew Z. Colvin, unter einem c.c.a.-s.a.-3.0.

Andrew Z. Colvin / Wikimedia Commons

Eine der wichtigsten Lehren kam aus der Kepler-Mission und insbesondere aus dem System Kepler-444. Dies ist ein Stern der Population I (mit Planeten um ihn herum), aber er ist viel, viel älter als die Erde. Während unsere Welt etwa 4,5 Milliarden Jahre alt ist, ist Kepler-444 11,2 Milliarden Jahre alt, was bedeutet, dass das Universum zumindest sehr früh eine Welt wie die Erde hätte bilden können

7 Milliarden Jahre früher als die Erde entstand. Angesichts dieser Möglichkeit und der Tatsache, dass Gebiete wie das Zentrum unserer Galaxie sehr, sehr schnell noch metallreicher wurden als unsere Region, ist es möglich, dass es Orte im Universum (und vielleicht sogar in der Milchstraße) gibt, die sogar noch förderlicher für intelligentes Leben als das Sonne-Erde-System.

Zuckermoleküle im Gas, das einen jungen, sonnenähnlichen Stern umgibt. Die Rohstoffe für das Leben können . [+] existieren überall, aber nicht jeder Planet, der sie enthält, wird Leben entwickeln.

ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/L. Calçada (ESO) und NASA/JPL-Caltech/WISE-Team

Nach allem, was wir darüber wissen, wo die Sterne, die gute Kandidaten für das Leben sind, sein können, was ist die nächste, die zwei außerirdische Zivilisationen beieinander sein könnten? Wo wären die Orte zu suchen? Und was wären die Antworten unter anderen Umständen? Schauen wir uns fünf Hauptmöglichkeiten an.

Diese künstlerische Darstellung zeigt TRAPPIST-1 und seine Planeten, die sich in einer Oberfläche spiegeln. Das Potenzial . [+] für Wasser auf jeder der Welten wird auch durch Frost, Wasserlachen und Dampf dargestellt, die die Szene umgeben. Es ist jedoch nicht bekannt, ob eine dieser Welten tatsächlich noch Atmosphären besitzt oder ob sie von ihrem Mutterstern weggeblasen wurden. Fest steht jedoch: Die potenziell bewohnbaren Welten liegen nahe beieinander: nur durch

1.) Das gleiche Sonnensystem. Dies ist der wahre Traum. In den frühen Tagen unseres Sonnensystems ist es plausibel, dass Venus, Erde und Mars (und möglicherweise sogar Theia, der hypothetische Planet, der mit der Erde kollidierte, um den Mond zu erschaffen) alle die gleichen lebensfreundlichen Bedingungen hatten. Sie hatten wahrscheinlich eine Kruste und eine Atmosphäre voller Zutaten für das Leben, zusammen mit einer früheren Geschichte von flüssigem Wasser auf ihrer Oberfläche. Venus und Mars kommen bei der nächsten Annäherung an die Erde jeweils innerhalb von einigen zehn Millionen Kilometern: 38 Millionen für die Venus und 54 Millionen für den Mars. Aber um einen Stern der M-Klasse (Roter Zwerg) sind die planetarischen Trennungsabstände viel geringer: Die Trennungsabstände betragen nur etwa 1 Million km zwischen potenziell bewohnbaren Welten im TRAPPIST-1-System. Zwillingsmonde um eine riesige Welt oder einen binären Planeten könnten noch näher sein. Wenn das Leben unter bestimmten Bedingungen einmal gelingt, warum dann nicht zweimal an fast genau derselben Stelle?

Der Kugelsternhaufen Terzan 5, wie er vom Very Large Telescope der ESO gesehen wurde, mit anderen Daten. . [+] Die Dichten im Zentrum eines Kugelsternhaufens sind höher und dennoch stabil als anderswo.

ESO-VLT, F.R. Ferraro et al., HST-NICMOS, ESA/Hubble & NASA

2.) Innerhalb eines Kugelsternhaufens. Kugelsternhaufen sind massive Ansammlungen von etwa Hunderttausenden von Sternen, die sich in einer Kugel mit einem Radius von vielleicht einigen Dutzend Lichtjahren befinden. In den äußeren Regionen sind die Sterne normalerweise um ein Lichtjahr voneinander getrennt, aber in den innersten Regionen der dichtesten Haufen können die Sternabstände so klein sein wie die Entfernung von der Sonne zum Kuipergürtel. Die Umlaufbahnen der Planeten innerhalb dieser Sternensysteme sollten selbst in diesen dichten Umgebungen stabil sein, und da wir von Kugelsternhaufen wissen, die viel jünger sind als die 11,2 Milliarden Jahre von Kepler-444, sollte es unter ihnen gute Kandidaten für Leben und Bewohnbarkeit geben. Ein paar hundert astronomische Einheiten, obwohl sich diese Entfernung im Laufe der Zeit ändern wird, wenn sich die Sterne bewegen, könnten eine faszinierend enge Begegnung zwischen zwei Zivilisationen sein.

Hochauflösende Nahinfrarot-Bildgebung hat zur Entdeckung von drei stellaren Superclustern am . [+] Galaktisches Zentrum. Da die Wellenlängen des nahen Infrarots den dichten Staub zwischen der Erde und dem Galaktischen Zentrum durchschneiden, können wir diese Superhaufen sehen. Dazu gehören die Cluster Central Parsec, Quintuplet und Arches. Aber alle dort gefundenen Sterne und im galaktischen Zentrum im Allgemeinen sind recht jung.

3.) In der Nähe des galaktischen Zentrums. Je näher Sie dem Zentrum der Galaxie kommen, desto dichter werden die Sterne. Innerhalb der wenigen zentralen Lichtjahre haben wir eine extrem hohe Sternendichte, die mit der vergleichbar ist, die wir in den Kernen von Kugelsternhaufen sehen. In gewisser Weise ist das galaktische Zentrum eine noch dichtere Umgebung mit großen Schwarzen Löchern, extrem massereichen Sternen und neuen Sternbildungshaufen, alles Dinge, die Kugelsternhaufen nicht haben. Aber das Problem mit den Sternen, die wir im Kern der Milchstraße sehen, ist, dass sie alle relativ jung sind. Vielleicht aufgrund der Volatilität der Umgebung dort werden Sterne selten auch nur eine Milliarde Jahre alt. Trotz der erhöhten Dichte ist es unwahrscheinlich, dass diese Sterne fortgeschrittene Zivilisationen haben. Sie leben einfach nicht lange genug.

Sterne bilden sich in einer Vielzahl von Größen, Farben und Massen, darunter viele helle, blaue, die . [+] zehn- oder sogar hundertmal so massiv wie die Sonne. Dies wird hier im offenen Sternhaufen NGC 3766 im Sternbild Centaurus demonstriert.

4.) In einem dichten Sternhaufen oder Spiralarm. Okay, was ist mit den Sternhaufen, die sich auf der galaktischen Ebene bilden? Spiralarme sind dichter als typische Regionen einer Galaxie, und dort bilden sich wahrscheinlich neue Sterne. Die Sternhaufen, die aus diesen Epochen übrig geblieben sind, enthalten oft Tausende von Sternen, die sich in einer nur wenige Lichtjahre großen Region befinden. Aber auch hier bleiben Sterne nicht sehr lange in diesen Umgebungen. Der typische offene Sternhaufen dissoziiert nach einigen hundert Millionen Jahren, wobei nur ein kleiner Bruchteil Milliarden von Jahren überdauert. Sterne bewegen sich die ganze Zeit in Spiralarmen ein und aus, einschließlich der Sonne. Obwohl Sterne im Inneren typische Abstände zwischen 0,1 und 1 Lichtjahr haben, ist es unwahrscheinlich, dass sie gute Kandidaten für das Leben sind.

Eine logarithmische Entfernungskarte, die die Raumsonde Voyager, unser Sonnensystem und unsere nächstgelegene . [+] Stern zum Vergleich.

5.) Verteilt im interstellaren Raum. Ansonsten kehren wir zu dem zurück, was wir in unserer eigenen Nachbarschaft sehen: Entfernungen, die typischerweise einige Lichtjahre betragen. Wenn Sie sich dem Zentrum einer Galaxie nähern, können Sie diese auf die gleiche Entfernung verringern, die Sie in einem offenen Haufen sehen: zwischen 0,1-1 Lichtjahren. Aber wenn Sie versuchen, näher heranzukommen, stoßen Sie auf das Problem, das wir zu nahe am galaktischen Zentrum gesehen haben: Fusionen, Interaktionen und andere Katastrophen werden wahrscheinlich Ihre stabile Umgebung ruinieren. Sie können näher herankommen, aber der typische interstellare Raum ist nicht der richtige Weg. Wenn Sie darauf bestehen, ist es am besten, darauf zu warten, dass ein anderer Stern in der Nähe vorbeizieht, was bei einem typischen Stern etwa alle Millionen Jahre passiert.

Ein Diagramm, das zeigt, wie oft Sterne innerhalb der Milchstraße wahrscheinlich innerhalb einer bestimmten Entfernung von . [+] unsere Sonne. Dies ist ein Log-Log-Diagramm mit Abstand auf der y-Achse und wie lange Sie normalerweise warten müssen, bis ein solches Ereignis auf der x-Achse eintritt.

Obwohl wir nicht erwarten, dass intelligentes außerirdisches Leben im gesamten Universum allgegenwärtig und reichlich vorhanden ist, so wie es Planeten und Sterne sind, ist jede solche Welt, die die richtigen Bedingungen erfüllt, eine Chance. Und jedes Mal, wenn Sie eine Chance bekommen, ist das eine Chance auf Erfolg mit begrenzten Chancen. Jede dieser Möglichkeiten könnte real sein! Sie sind vielleicht nicht wahrscheinlich, aber bis wir rausgehen und herausfinden, was da draußen ist (und nicht ist), ist es wichtig, offen dafür zu sein, was das Universum uns in Bezug auf außerirdische Intelligenz bringen könnte. Die Wahrheit ist zweifellos da draußen, aber es ist wichtig zu erkennen, dass es näher sein könnte, als wir uns heute vorstellen können, wenn wir viel mehr Glück gehabt hätten.


Was waren die ersten Sterne?

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Astronomen wissen heute, dass der Urknall vor 13,7 Milliarden Jahren stattfand. In den ersten paar hundert Millionen Jahren war das gesamte Universum zu heiß, um Sterne zu bilden. Aber dann kühlte sich das Universum bis zu dem Punkt ab, an dem die Schwerkraft beginnen konnte, den rohen Wasserstoff und das Helium zu den ersten Sternen zusammenzuziehen.

Die Grundelemente des Universums, Wasserstoff und Helium und einige Spurenelemente, haben wir während des Urknalls gebildet. Für einen kurzen Moment hatte das gesamte Universum die Temperatur und den Druck, bei denen Wasserstoff zu Helium verschmelzen konnte. Deshalb sehen wir überall im Universum ungefähr die gleichen Verhältnisse von Wasserstoff zu Helium: 73 % Wasserstoff, 25 % Helium und der Rest sind Spurenelemente.

Astronomen glauben, dass diese reine Wasserstoff/Helium-Mischung den ersten Sternen ermöglichte, viel massereicher zu werden, als es heute möglich ist. Es wird angenommen, dass sie mehrere hundert Sonnenmassen gesammelt haben könnten. Es wird angenommen, dass der massereichste Stern, der sich heute bilden kann, nur etwa 150 Sonnenmassen hat. Danach verhindern extreme Winde, die vom Stern kommen, das Eindringen von zusätzlichem Material.

Diese erste Generation von Sternen, die Astronomen Sterne der Population III nennen, hätte ein kurzes, gewalttätiges Leben gelebt. Sie hielten wahrscheinlich nur eine Million Jahre oder so und detonierten dann als Supernovae. Aber in ihrem Leben hätten diese Sterne der Population III in ihren Kernen immer schwerere Elemente geschaffen, und bei ihrem gewaltsamen Tod hätten sie die noch exotischeren schwereren Elemente wie Gold und Uran geschaffen. Es ist möglich, dass die ersten Sterne einige schnelle Zyklen durchliefen, Material einzogen, explodierten und die Region mit schwereren Elementen sahen. Irgendwann wären die ersten Langzeitsterne in Gang gekommen, Sterne mit der Menge schwererer Elemente, die wir heute sehen.

Keiner der ersten Sterne wurde jemals direkt beobachtet. Es gab einige Hinweise durch Gravitationslinsen, die die Schwerkraft einer nahegelegenen Galaxie nutzten, um das Licht von einem weiter entfernten Quasar zu fokussieren. Die nächste Generation von Weltraumteleskopen, wie das James Webb Space Telescope, könnte das beobachtbare Universum möglicherweise auf diese ersten Sterne zurückschieben.

Wir haben hier auf Universe Today viele Artikel über Sterne geschrieben. Hier ein Artikel über Astronomen, die die Entstehung der ersten Sterne simulieren, und hier ein Artikel darüber, wie die ersten Sterne durch Dunkle Materie angetrieben worden sein könnten.

Wir haben mehrere Episoden von Astronomy Cast über Sterne aufgenommen. Hier sind zwei, die hilfreich sein könnten: Episode 12: Woher kommen Babystars und Episode 13: Wohin gehen Sterne, wenn sie sterben?


Existieren sie?

Im Urknallmodell für die Sternentstehung sehen wir einen großen Unterschied zwischen der Geschichte der ersten nicht beobachtbaren Sterne und den Sternen, die heute beobachtet werden. Denken Sie daran, dass etwa 90% der heute beobachteten Sterne auf der Hauptreihe des H-R-Sterndiagramms abgebildet sind. Davon sind die meisten (etwa 70 % oder mehr) weniger als 0,8 M. Evolutionisten konnten diese Situation jedoch für die Sterne der Population III nicht tolerieren, sonst wäre das Universum mit zahlreichen Beispielen gefüllt, die es zu beobachten gilt. Es wurde jedoch keine gefunden.

Es scheint, dass Evolutionisten diesen Teil der Geschichte häufig beschönigen, wenn sie versuchen, die Öffentlichkeit davon zu überzeugen, dass sie den Ursprung der Sterne verstehen (und damit auch den Ursprung der Menschen, dh Kohlenstoff, Sauerstoff und Eisen in unseren Körpern, die in den Sternen geschmiedet wurden. ) Astronomie veröffentlichte kürzlich einige Informationen über die Entstehung von Population III-Sternen:

&lsquoDas Problem: Wenn Wasser für die Sternentstehung in diesen Wolken entscheidend ist, wie hätten sich dann die ersten Sterne gebildet, da kein Wasser zur Verfügung stand?&rsquo 8

Die Redaktion antwortet:

&lsquoAstronomen wissen nicht genau, wie das Universum seine ersten Sterne geschaffen hat, aber sie haben eine einigermaßen gute Vermutung. (Wie Sie sich vorstellen können, gibt es keine Möglichkeit, die Entstehung der ersten Generation von Sternen zu beobachten, daher basieren alle Arbeiten auf theoretischen Überlegungen.) Im besten Fall spielt molekularer Wasserstoff die Rolle des Kühlmittels. Wären die Wolken, aus denen Sterne entstanden, im frühen Universum etwa vier- bis fünfmal dichter als heute, dann hätten genügend Kollisionen zwischen Wasserstoffatomen stattgefunden, um viel molekularen Wasserstoff zu erzeugen. Die große Frage ist: Waren die ersten Galaxien so viel dichter? Offensichtlich war die Gesamtdichte des Universums in den frühen Tagen viel höher, aber niemand weiß, ob die Sternentstehungswolken so viel dichter waren.

&lsquoDie meisten Astronomen würden sagen, dass die Tatsache, dass Sterne existieren, uns sagt, dass die Dichte damals höher war, weil es sonst keine Sterne gäbe &hellip Heutzutage hat die Natur natürlich einen einfacheren Weg gefunden, die Wolken zu kühlen (mit Wasser) , damit&rsquo das, was sie verwendet.&rsquo 8

Es scheint ein großes Problem mit der gegebenen Antwort zu geben:

Der Begriff &lsquowurden noch nicht identifiziert&rsquo führt zu der &lsquogroßen Frage&rsquo: Wo gibt es Beispiele für diese Sterne der ersten Generation oder Sterne der Population III? Es gibt keine Beweise dafür, dass das Universum jemals Sterne der Population III hatte oder enthält. Es gibt keine Beweise dafür, dass das Universum jemals die urzeitlichen sternbildenden Wolken enthielt, die keine Metalle enthielten. Die Redakteure haben in der bereitgestellten &lsquottheoretischen&rsquo-Antwort darauf nicht hingewiesen. Ihre Antwort geht davon aus, dass Sterne der Population III real sind. Tatsächlich ist ihre Antwort gleichbedeutend mit Vermutungen und zirkulärer Argumentation basierend auf dem Urknall. Die Herausgeber haben es auch versäumt, die kritische Rolle der Dunklen Materie in den Zustandsgleichungen zu identifizieren, die verwendet werden, um die Entstehung von Sternen der Population III zu modellieren, beispielsweise im Vergleich zu molekularen Gaswolken wie M42.

Jüngste Berichte über mögliche Gasriesenplaneten in M42 haben Aufmerksamkeit erregt. 10 Wenn dies bestätigt wird, zeigt dies, dass Evolutionisten die minimale Jeans-Masse für Gaswolken wie M42 oder welche Art von stellarer Massenverteilung sich nicht zuverlässig vorhersagen können. Da frage ich mich, wie zuverlässig Vorhersagen für die minimale Jeansmasse sein können, die mit modelliert werden unbeobachtet Urstern bildende Wolken und dunkle Materie.


Die Verfolgung der erstgeborenen Sterne und ein besseres kosmisches Schöpfungsmodell

Die schwer fassbare Entdeckung der erstgeborenen Sterne des Universums ist seit langem eine Herausforderung bei der Entwicklung eines detaillierteren und besser bestätigten biblisch vorhergesagten Urknallmodells. 1 Astronomen nennen sie Sterne der Population III, und ein Versäumnis, sie zu beobachten, hat einige Leute zu dem Schluss geführt, dass das Urknallmodell gefälscht wurde. Der ehemalige Präsident des Instituts für Schöpfungsforschung, Henry Morris II., schrieb beispielsweise:

Das Problem ist, dass es unter den Abermilliarden von Sternen im beobachtbaren Universum überhaupt keine Typ-3-Sterne [Population III-Sterne] zu geben scheint. . . . Es scheint, als ob wir viele von ihnen sehen sollten, wenn sie jemals existierten, da alle anderen Sterne angeblich weiterhin von ihnen kommen. 2

John Hartnett, Rod Bernitt und Jonathan Sarfati von Creation Ministries International schrieben jeweils:

Diese ursprünglichen Sterne wurden nie beobachtet, daher waren sie nur hypothetisch. . . . Es [das Urknallmodell] braucht dringend die Sterne der Population III, oder es gibt keine Geschichte. 3 Ihre Existenz [von Sternen der Population III] bleibt eine Vermutung, keine Tatsache. 4 Das völlige Fehlen dieser Sterne gilt als verfälschte Vorhersage der Urknall-Kosmologie. 5

Sie stützen ihre Kritik auf die Vorstellung, dass das Universum in der Urknall-Kosmologie mit nur zwei Elementen beginnt, Wasserstoff und Helium, und nur einer Spur Lithium (mit Atomgewichten von 1, 4 bzw. 7). Daher werden die erstgeborenen Sterne keine Elemente besitzen, die schwerer als Lithium sind. Bisher zeigen die Spektren aller beobachteten Sterne Elemente, die schwerer als Helium sind. (Im Spektrum eines Sterns sehen Astronomen die verschiedenen Lichtfarben eines Sterns und erfahren, woraus ein Stern besteht.)

Erkennungsschwierigkeiten
Die Ironie in den Behauptungen dieser Kritiker besteht darin, dass sie die Tatsache übersehen haben, dass das Urknallmodell vorhersagt, dass die Spektren der erstgeborenen Sterne des Universums mit der heutigen Teleskopleistung nicht nachweisbar wären. Die meisten Urknall-Erschaffungsmodelle sagen voraus, dass alle Sterne der Population III Überriesensterne sein werden, Sterne, die größer als das 20-fache der Sonnenmasse sind. Solche Sterne werden in nur wenigen Millionen Jahren oder weniger verglühen. Daher werden sie nur in der sehr frühen Geschichte des Universums hell sein. Astronomen werden sie nur sehen, wenn sie in Entfernungen von mehr als 13,5 Milliarden Lichtjahren nach ihnen suchen. Kein existierendes Teleskop ist in der Lage, das Spektrum eines Sterns in einer so großen Entfernung zu messen.

Einige Urknall-Erschaffungsmodelle sagen voraus, dass, während die meisten Sterne der Population III Überriesen sein werden, ein kleiner Prozentsatz Sterne sein können, die das 1- bis 20-fache der Sonnenmasse betragen, und ein sehr kleiner Prozentsatz kann nur das 0,8-fache der Sonnenmasse betragen. Sterne mit weniger als dem 0,8-fachen der Sonnenmasse werden mehr als 13,5 Milliarden Jahre lang brennen. Daher können einer oder mehrere von ihnen lange genug brennen, um nahe genug zu sein, damit Astronomen ihre Spektren messen können.

Solche alten Sterne der Population III werden jedoch nicht makellos sein. Ihre anfängliche elementare Zusammensetzung nur aus Wasserstoff, Helium und einer Spurenmenge von Lithium wird durch ihre Atmosphären kontaminiert, die kleine Mengen von Elementen, die schwerer als Helium sind, aus der Asche explodierter überriesiger Sterne der Population III und Asche der später gebildeten überriesen Sterne der Population II ansammeln . Diese Kontamination wird jedoch für alte, massearme Sterne der Population III minimiert, die sich dauerhaft in Regionen mit sehr geringer Sternendichte aufgehalten haben.

Neue Spektralmessungen
Wenn Spektralmessungen zeigen, dass diese Kontamination außergewöhnlich gering ist, können spezifische Details im Spektrum die genaue Quelle der Kontamination aufdecken und somit positiv bestimmen, ob der kontaminierte Stern ein echter Stern der Population III ist oder nicht. Ein Team von neun Astronomen unter der Leitung von Rana Ezzeddine und Anna Frebel führte kürzlich solche Messungen am alten Stern HE 1327-2326 durch, um starke Beweise dafür zu liefern, dass HE 1327-2326 tatsächlich ein echter Stern der Population III ist, der vor mehr als 13 Milliarden Jahren von kontaminiert wurde die nahegelegene asphärische Supernova-Explosion eines einzelnen massereichen Sterns der Population III. 6

A team of nineteen astronomers led by Anna Frebel discovered HE 1327-2326 in 2005. 7 They found it in the outer halo of our Milky Way Galaxy, a region where the density of stars is very low. HE 1327-2326’s mass is 0.8 times the Sun’s mass and its spectral features reveal it has completed its main sequence history of stellar burning. 8 Therefore, HE 1327-2326 likely is older than 13 billion years. In the discovery paper, Frebel’s team found that HE 1327-2326 had the lowest abundance of elements heavier than helium of any known star. Its ratio of iron to hydrogen measured to be only 1/250,000th of the Sun’s. 9

Today, HE 1327-2326 ranks as the star with the second lowest known abundance of elements heavier than helium. The recently discovered star SDSS J102915+172927 has an iron to hydrogen ratio less than 1/10,000,000th the Sun’s. 10

Unlike SDSS J102915+172927, HE 1327-2326 is not deficient in carbon. This feature led Ezzeddine and Frebel’s team to consider that HE 1327-2326 may be a low-mass Population III star that was externally enriched by the debris from a single high-mass Population III star that underwent an aspherical supernova explosion (see figure 1). To test their hypothesis, Ezzeddine and Frebel’s team used the Hubble Space Telescope to observe the ultraviolet spectrum (2,118–2,348 angstroms) of HE 1327-2326 for a total integration time of 22 hours and 20 minutes. For the first time ever, they got accurate measurements in this wavelength range of seven spectral lines of HE 1327-2326: one zinc line, five iron lines, and one silicon line.

Figure 1: Artist’s Rendition of an Aspherical Supernova Explosion.Image credit: NASA/CXC/M. Weiss

Observing Population III Stars
Armed with the new spectral measurements, Ezzeddine, Frebel, and their colleagues showed that the entire abundance pattern of HE 1327-2326 is explained by its being a Population III star that was blasted by one of the jets from a “rotation driven, high-energy (E = 5 x 10 51 erg) aspherical SNe [supernova eruption] with bipolar jets” 11 of a 25-solar-mass Population III star. Therefore, Ezzeddine and Frebel’s team established the existence of not just one, but two Population III stars.

Meanwhile, a team of Japanese astronomers has published two papers in which they demonstrate that astronomers may not need to wait for future super telescopes—like the James Webb Space Telescope or ground-based telescopes with mirror diameters larger than 30 meters (100 feet)—to directly detect high-mass Population III stars. The team shows that the near-infrared imaging capability of the 8.2-meter-diameter Subaru Telescope (see figure 2) combined with the natural magnification afforded by the gravitational lensing of intervening massive galaxy clusters may detect extremely distant massive Population III stars undergoing pair-instability supernova eruptions. 12

Figure 2: Subaru Telescope on Top of Mauna Kea in Hawaii.Image credit: Denys, Creative Commons Attribution

Already, the fact that Ezzeddine and Frebel’s team has established the existence of both high- and low-mass Population III stars will help astronomers develop a more detailed and specified big bang creation model. Such an advance will provide even stronger evidence for what the Bible had uniquely predicted about the universe thousands of years ago.


Verweise

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Texas astronomers revive idea for 'Ultimately Large Telescope' on the moon

Ultimately Large Telescope. Credit: University of Texas McDonald Observatory

A group of astronomers from The University of Texas at Austin has found that a telescope idea shelved by NASA a decade ago can solve a problem that no other telescope can: It would be able to study the first stars in the universe. The team, led by NASA Hubble Fellow Anna Schauer, will publish their results in an upcoming issue of Das Astrophysikalische Journal.

"Throughout the history of astronomy, telescopes have become more powerful, allowing us to probe sources from successively earlier cosmic times—ever closer to the Big Bang," said professor and team member Volker Bromm, a theorist who has studied the first stars for decades. "The upcoming James Webb Space Telescope [JWST] will reach the time when galaxies first formed.

"But theory predicts that there was an even earlier time, when galaxies did not yet exist, but where individual stars first formed—the elusive Population III stars. This moment of 'very first light' is beyond the capabilities even of the powerful JWST, and instead needs an 'ultimate' telescope."

These first stars formed about 13 billion years ago. They are unique, born out of a mix of hydrogen and helium gasses, and likely tens or 100 times larger than the Sun. New calculations by Schauer show that a previously proposed facility, a liquid mirror telescope that would operate from the surface of the Moon, could study these stars. Proposed in 2008 by a team led by Roger Angel of The University of Arizona, this facility was called the Lunar Liquid-Mirror Telescope (LLMT).

NASA had done an analysis on this proposed facility a decade ago, but decided not to pursue the project. According to Niv Drory, a senior research scientist with UT Austin's McDonald Observatory, the supporting science on the earliest stars did not exist at that point. "This telescope is perfect for that problem," he said.

The proposed lunar liquid-mirror telescope, which Schauer has nicknamed the "Ultimately Large Telescope," would have a mirror 100 meters in diameter. It would operate autonomously from the lunar surface, receiving power from a solar power collection station on the Moon, and relaying data to satellite in lunar orbit.

Rather than coated glass, the telescope's mirror would be made of liquid, as it's lighter, and thus cheaper, to transport to the Moon. The telescope's mirror would be a spinning vat of liquid, topped by a metallic—and thus reflective —liquid. (Previous liquid mirror telescopes have used mercury.) The vat would spin continuously, to keep the surface of the liquid in the correct paraboloid shape to work as a mirror.

The telescope would be stationary, situated inside a crater at the Moon's north or south pole. To study the first stars, it would stare at the same patch of sky continuously, to collect as much light from them as possible.

"We live in a universe of stars," Bromm said. "It is a key question how star formation got going early in cosmic history. The emergence of the first stars marks a crucial transition in the history of the universe, when the primordial conditions set by the Big Bang gave way to an ever-increasing cosmic complexity, eventually bringing life to planets, life, and intelligent beings like us.

"This moment of first light lies beyond the capabilities of current or near-future telescopes. It is therefore important to think about the 'ultimate' telescope, one that is capable of directly observing those elusive first stars at the edge of time."

The team is proposing that the astronomical community revisit the shelved plan for a lunar liquid-mirror telescope, as a way to study these first stars in the universe.


Title: Gravitational waves from the remnants of the first stars in nuclear star clusters

pc). The merger rate density (MRD) peaks at $zsim 5-7$ with $sim 0.4-10 m yr^<-1> m Gpc^<-3>$, comparable to the MRDs found in the binary stellar evolution channel. Low-mass ($lesssim 10^<6> m M_$) NSCs formed at high redshifts ($zgtrsim 4.5$) host most ($gtrsim 90$%) of our mergers, which mainly consist of black holes (BHs) with masses $sim 40-85 m M_$, similar to the most massive BHs found in LIGO events. Particularly, our model can produce events like GW190521 involving BHs in the standard mass gap for pulsational pair-instability supernovae with a MRD $sim 0.01-0.09 m yr^<-1> Gpc^<-3>$ at $zsim 1$, consistent with that inferred by LIGO (within the 90% confidence interval). We predict a promising detection rate $sim 170-2700 m yr^<-1>$ for planned 3rd-generation GW detectors such as the Einstein Telescope that can reach $zsim 10$.


No, Today’s Stars Are Not The Same As Yesterday’s Stars

While the brightest stars dominate any astronomical image, they are far outnumbered by the fainter, . [+] lower-mass, cooler stars out there. In this region of the star cluster Terzan 5, a large number of stars are bound together in various configurations, but the large abundance of cooler, older, low-mass stars tells us that star formation mostly occurred long ago in this object.

When you look out at the Universe today, you’re not seeing it exactly as it is at one particular instant in time: now. Because of the fact that time is relative and light isn’t instantaneously fast — it can only move at the large, but not infinite, speed of light — we’re seeing things as they were when they emitted the light that only now is arriving. For an object like our Sun, the difference is cosmically minuscule: the Sun’s light arrives after a somewhat paltry journey of only 150 million km (93 million miles), which takes just a little over 8 minutes to complete.

But for the stars, star clusters, nebula, and galaxies we see across the Universe, because of their great cosmic distances, we’re seeing them as they were a much longer time ago. The closest stars are only a few light-years away, but for the objects that are millions or even billions of light-years distant, we’re seeing them as they were a significant fraction of the Universe’s history ago. The light that we receive from the most distant galaxy discovered so far — GN-z11 — was emitted when the Universe was just 407 million years old: 3% of its current age.

With NASA’s James Webb Space Telescope launching later this year, we’re poised to go back even farther. The stars from back then are fundamentally different from the stars we have today, and we’re about to find out exactly how.

As we're exploring more and more of the Universe, we're able to look farther away in space, which . [+] equates to farther back in time. The James Webb Space Telescope will take us to depths, directly, that our present-day observing facilities cannot match, with Webb's infrared eyes revealing the ultra-distant starlight that Hubble cannot hope to see.

The stars that exist today, for the most part, fall into two categories.

  1. There are stars similar to our Sun: with lots of elements other than hydrogen and helium in them, that were formed many billions of years after the Big Bang, and include lots of materials that must have been formed in previous generations of stars.
  2. There are stars that are fundamentally less evolved than our Sun: formed much closer back in time to the Big Bang than our own, with only a small amount of elements other than hydrogen and helium, whose material only includes a small amount that went through prior generations of stars.

Es gibt nur einen anderen Planeten in unserer Galaxie, der erdähnlich sein könnte, sagen Wissenschaftler

29 intelligente außerirdische Zivilisationen haben uns möglicherweise bereits entdeckt, sagen Wissenschaftler

Erklärt: Warum der „Erdbeermond“ diese Woche so niedrig, so spät und so leuchtend sein wird

While that first type of star — what astronomers call “metal-rich” stars, since to an astronomer, any element on the periodic table that isn’t hydrogen or helium counts as a metal — can come in all different sizes, masses, and colors, the same isn’t true for that second type of star. The “metal-poor” stars in our Universe are overwhelmingly small, low in mass, and red in color.

Why are the metal-rich stars so diverse, but the metal-poor stars are all so similar to one another? The answer is simple: the metal-rich stars come in a wide variety of ages, but the metal-poor stars are all very, very old.

At a distance of 13,000 light-years, you won't be able to see Messier 71 with the same resolution as . [+] the Hubble Space Telescope, but this image should nevertheless give you a remarkable idea of how dense and brilliant the stars inside are. They are approximately 9 billion years old, spread out over a diameter of just 27 light-years, and much poorer in metals than stars like our Sun, which formed much more recently.

When we look out at the Universe and ask the questions, “where does it form stars,” we get a lot of different answers. You can have very small, isolated clouds of gas that cool and contract, eventually forming only a small number of stars. You can have larger clouds of gas that fragment into smaller clumps, producing a substantial cluster of stars in one location but only a small number elsewhere. Or you can have very large clouds of gas leading to intense periods of star formation, where thousands, hundreds of thousands, or even millions upon millions of stars are formed all at once.

Overwhelmingly, though, the majority of stars in the Universe are created during these major events of star-formation. It’s a little bit like the reverse of HBO’s Game of Thrones TV show: you might go for a few episodes where no one dies or only a few casualties occur here or there, but then there are these incredibly violent episodes where large numbers of people all die in one location. Well, star-formation is a bit like the opposite of that: it’s mostly quiet and steady, with a new star here or there, but the overwhelming majority of star-formation occurs in these bursts that create enormous numbers of new stars all at once, of all different varieties.

The open star cluster NGC 290, imaged by Hubble. These stars, imaged here, can only have the . [+] properties, elements, and planets (and potentially chances-for-life) that they do because of all the stars that died before their creation. This is a relatively young open cluster, as evidenced by the high-mass, bright blue stars that dominate its appearance, but there are hundreds of times as many lower-mass, fainter stars inside.

ESA & NASA, ACKNOWLEDGEMENT: DAVIDE DE MARTIN (ESA/HUBBLE) AND EDWARD W. OLSZEWSKI (UNIVERSITY OF ARIZONA, USA)

Today, whenever you make a large number of new stars all at once, here’s what happens.

  • The largest, most overdense regions of matter start to contract the fastest gravitation is a game of runaway growth, and whichever regions have the greatest amounts of mass collapse the earliest.
  • The contracting matter has to cool, radiating away the energy that’s gained from this gravitational contraction.
  • The richer in (astronomical) metals the gas is, the more efficient it is at radiating heat away, meaning that it’s easy for the gas to collapse and form new stars.
  • And how easy or hard it is for gas to collapse and form new stars determines what astronomers know as the “initial mass function,” which tells us what types, masses, colors, temperatures, and lifetimes of the stars that form will be.

Whenever you have a large star-forming region in the modern Universe, to the best of our knowledge, you always wind up with roughly the same sets of stars inside.

The classification system of stars by color and magnitude is very useful. By surveying our local . [+] region of the Universe, we find that only 5% of stars are as massive (or more) than our Sun is. It is thousands of times as luminous as the dimmest red dwarf star, but the most massive O-stars are millions of times as luminous as our Sun. About 20% of the total population of stars out there fall into the F, G, or K classes, but only

0.1% of stars are massive enough to eventually result in a core-collapse supernova.

Kieff/LucasVB of Wikimedia Commons / E. Siegel

On average, the mass of a typical star will be about 40% the mass of the Sun. Stars that are lower in mass than our Sun are going to be redder in color, less luminous in their intrinsic brightness, lower in temperature, and longer-lived (because the lower rate of fusion that occurs) relative to us. However, the overwhelming majority of the stars that are formed, somewhere around

80% of them, will be even less massive than the average star.

That leaves a lot of room for some very massive stars to form. About 15% of the stars that form will still be lower in mass than our Sun, but more massive than that

40% figure, leaving only 5% of all stars (by number) that are more massive than our Sun. But those stars are predominantly brighter, bluer, hotter, and also shorter-lived than our Sun is. The largest collection of them that we know about are found in a massive star-forming region in the Tarantula Nebula. Despite being located in the Large Magellanic Cloud, only the fourth largest galaxy in our Local Group, it’s the largest star-forming region around for almost 10 million light-years.

Hubble-Weltraumteleskop der verschmelzenden Sternhaufen im Herzen des Tarantelnebels, der . [+] größte bekannte Sternentstehungsregion der Ortsgruppe. The hottest, bluest stars are over 200 times the mass of our Sun, although from our distance of 165,000 light-years away, we predominantly see the brightest, rarest stars the more common, lower mass ones are not clearly visible here.

NASA, ESA, and E. Sabbi (ESA/STScI) Acknowledgment: R. O'Connell (University of Virginia) and the Wide Field Camera 3 Science Oversight Committee

Even though the stars inside look like they’re predominantly blue and bright, this isn’t exactly the case. Instead, the stars that are bluest and brightest are the stars that are the most prominent and easily seen. The stars inside the Tarantula Nebula are already some

165,000 light-years away, and so it’s only the brightest ones that pop out as clearly visible to us. (It’s worth remembering that the closest star to our Sun, Proxima Centauri, was only discovered about 100 years ago. Even today, knowing exactly where it is, it takes a telescope about the diameter of your outstretched hand to see it at all.)

About 20% of the stars inside the Tarantula Nebula, like in any region that’s recently formed stars, are between about 40% and 800% the mass of our Sun. They will, typically, live for hundreds of millions to a few billion years, burn through the hydrogen in their cores, swell into red giants, fuse helium into carbon, and then expel their outer layers while their cores contract into white dwarfs. This process of stellar death forms what we call a planetary nebula, and is primarily responsible for the origin of many elements, like carbon and oxygen, that are essential to the biology and chemistry found on Earth.

The cluster RMC 136 (R136) in the Tarantula Nebula in the Large Magellanic Cloud, is home to the . [+] most massive stars known. R136a1, the greatest of them all, is over 250 times the mass of the Sun. While professional telescopes are ideal for teasing out high-resolution details such as these stars in the Tarantula Nebula, wide-field views are better with the types of long-exposure times only available to amateurs.

European Southern Observatory/P. Crowther/C.J. Evans

At the center of the Tarantula Nebula, however are the most massive individual stars we know of, with dozens of stars exceeding 50 solar masses, two heaping handfuls of stars over 100 solar masses, and the most massive one of all, R136a1, reaching an estimated mass of 260 Suns. The bright, blue stars burn through their fuel incredibly fast, shining many millions of times brighter than our own Sun. They also live for incredibly short timespans, burning through their core’s fuel in as little as 1-to-2 million years: one ten-thousandth the lifetime of a Sun-like star.

The stars that are more massive than about 8 solar masses, when they’re born, will eventually end their lives in a core-collapse supernova, which recycles the heavy elements that were forged inside the star — both during its life and during the supernova process — back into the interstellar medium, where it enriches the material that will be used for future generations of stars.

Supernova remnants (L) and planetary nebulae (R) are both ways for stars to recycle their burned, . [+] heavy elements back into the interstellar medium and the next generation of stars and planets. These processes are two ways that the heavy elements necessary for chemical-based life to arise are generated, and it's difficult (but not impossible) to imagine a Universe without them still giving rise to intelligent observers.

ESO / Very Large Telescope / FORS instrument & team (L) NASA, ESA, C.R. O’Dell (Vanderbilt), and D. Thompson (Large Binocular Telescope) (R)

This recycled material from supernovae is primarily responsible for the origin of a few dozen of the elements found in our Universe, but there are other ways that these stars contribute. In addition, the remnant at the core will be either a black hole or a neutron star, and both of those play a role in populating our Universe with the elements of the periodic table.

Neutron star mergers provide the majority of many of the heaviest elements in the Universe, including gold, platinum, tungsten, and even uranium. While our Sun might be a “singlet” star, don’t be fooled: about 50% of all stars exist in multi-star systems with two or more stars inside, and if two massive stars both become neutron stars, a merger is all but inevitable.

Meanwhile, black holes and neutron stars accelerate matter around them, creating high-energy particles known as cosmic rays. These cosmic rays collide with all sorts of particles, including some of the heavy elements that were created in earlier generations of stars. Through a cosmic process called spallation, where cosmic rays blast these heavy nuclei apart, some lighter nuclei are produced, including significant fractions of the lithium, beryllium, and boron (elements 3, 4, and 5) in the Universe.

When a high-energy cosmic particle strikes an atomic nucleus, it can split that nucleus apart in a . [+] process known as spallation. This is the overwhelming way that the Universe, once it reaches the age of stars, produces new lithium-6, beryllium and boron. Lithium-7, however, cannot be accounted for by this process.

Nicolle R. Fuller/NSF/IceCube

The thing is, these are the stars that have formed in the already-enriched Universe: the ones that formed recently or are still forming today. Earlier on, there were fewer generations of stars that lived-and-died, and that means that there were fewer heavy elements in the stars that formed long ago. Those metal-poor stars exist in great abundance in the outskirts of our galaxy: members of ancient structures known as globular clusters. But these are already many billions of years old all the massive stars in them already died long ago.

What are metal-poor stars like when they’re just born? And, going even farther back in time, what was the very first generation of stars like: the ones that were made of elements that only were created in the hot Big Bang?

In theory, they were far worse at “cooling” than today’s star-forming gas is, and so we expect that the earlier stars are:

compared to stars just forming today. We fully expect, with the James Webb Space Telescope launching later this year, that one of its prime science goals and discoveries will be to find, identify, image, and study these earliest populations of stars. If it succeeds, we might finally come to understand how good our theories of early star-formation are, and uncover just how massive these early, metal-free stars could get.

An illustration of CR7, the first galaxy detected that was thought to house Population III stars: . [+] the first stars ever formed in the Universe. It was later determined that these stars aren't pristine, after all, but part of a population of metal-poor stars. JWST will reveal actual images of this galaxy and others like it, capable of seeing through the neutral atoms permeating the Universe at these times.

What’s a certainty, however, is that the stars in the young Universe were significantly different than the stars that are just coming into existence today are. They were made of different materials the gas that collapsed to form them cooled at different rates the sizes, mass distributions, luminosities, lifetimes, and even the fates of these stars were likely very different from the stars we have today. Yet right now, we face the ultimate problem when it comes to learning about them: when we look out at the Universe around us, today, all we see are the survivors.

If we want to find the stars that once dominated the Universe, we have no other option: we have to look extremely far away, to the distant, ancient Universe. Billions upon billions of years ago, the Universe was filled with large amounts of newly formed, massive metal-poor stars, and at even earlier times, the first stars of all. With the advent of the James Webb Space Telescope, we fully expect these elusive stellar populations to not only be revealed to us, but revealed to us in detail. In the meantime, we can take solace in the fact that we understand how the Big Bang, stars, and stellar remnants gave rise to the elements in our Universe.

If we want to fill in the details we’re currently lacking, we have to look deeper, older, and fainter than ever before. The technology to take us there — NASA’s James Webb Space Telescope — is just months away from launch. If you haven’t understood why astronomers are so excited about this observatory up until now, perhaps “the origin of stars, leading to the origin of us” might help you feel some of that excitement for yourself.