Gesundheit: Das Ticken der kosmischen Uhr

Unsere Milchstraße ist etwa 13,6 Milliarden Jahre alt. Damit ist sie 200 bis 300 Millionen Jahre älter als die ältesten Sternhaufen. Das ist das Ergebnis sehr genauer Messungen an zwei Sternen in einem 7000 Lichtjahre entfernten Sternhaufen. Demnach haben sich die ersten Sterne der Milchstraße schon sehr kurz nach dem Urknall, der Entstehung des Kosmos vor 13,7 Milliarden Jahren, gebildet.

„Noch vor wenigen Jahren wären solche Beobachtungen unmöglich gewesen“, sagt Luca Pasquini von der Europäischen Südsternwarte ESO, einer der beteiligten Forscher. Bei Beobachtungen mit einem der vier 8,4 Meter großen Teleskope der ESO auf dem Berg Paranal in Chile gelang es nun, zu messen, wie viel Beryllium die Sterne im Kugelsternhaufen NGC 6397 enthalten. Beryllium ist der Schlüssel zum Alter der Milchstraße, sagt Pasquini.

Kugelsternhaufen sind die ältesten Objekte in unserer Milchstraße. Das Alter von NGC 6397ist an der Häufigkeit unterschiedlicher Sterntypen abzulesen. Es beträgt 13,4 Milliarden Jahre, vielleicht auch 800 Millionen Jahre mehr oder weniger. Die ersten Sterne in der Milchstraße müssen aber noch früher entstanden sein: Die Sterne in den Kugelsternhaufen enthalten nämlich chemische Elemente, die sich nicht beim Urknall, sondern nur in einer früheren Sternengeneration durch Kernfusion gebildet haben können.

Trotz intensiver Suche konnten die Astronomen bislang keinen Stern dieser ersten Generation aufspüren. Deshalb wusste man bisher nur, dass die Milchstraße älter ist als die Kugelsternhaufen. Um wie viel älter sie ist, war bisher aber unbekannt. Diese Frage konnte nun mithilfe von Beryllium beantwortet werden: Es sind 200 bis 300 Millionen Jahre.

Beryllium, genauer: Beryllium-9, enthält in seinem Atomkern vier Protonen und fünf Neutronen. Es entsteht weder beim Urknall noch im Inneren von Sternen. Der Stoff bildet sich ausschließlich beim Zerfall schwererer Atomkerne, die ihrerseits in Sternen entstanden sind. Diese Atomkerne zerfallen, wenn sie mit Teilchen der kosmischen Strahlung zusammenstoßen.

Auf diese Weise reicherten sich die Gaswolken in der Milchstraße langsam mit Beryllium-9 an. Bilden sich aus einer Gaswolke neue Sterne, so hängt die Menge an Beryllium-9 in diesen Sternen vom Entstehungszeitpunkt ab: Sind die Sterne schon in der Frühzeit der Milchstraße entstanden, so enthalten sie wenig Beryllium. Sind sie dagegen später entstanden, so findet sich viel Beryllium.

Die Menge an Beryllium-9 in einem Stern kann also als „kosmische Uhr“ genutzt werden, die die Zeit angibt, die zwischen der Entstehung der Milchstraße und der Bildung des Sterns vergangen ist. Diese Idee ist bereits 30 Jahre alt, doch erst jetzt konnten die Astronomen das Verfahren dank der fortgeschrittenen Detektortechnik anwenden.

Denn die Messungen sind schwierig. Jeweils zehn Stunden lang musste das Team um Pasquini das Licht der beiden Sterne sammeln, bis sich die charakteristischen Linien des Berylliums in den Sternspektren zeigten. Die untersuchten Sterne strahlen 10000 Mal geringer als die schwächsten, mit bloßem Auge noch erkennbaren Sterne. Hellere und damit heißere Sterne eignen sich für die Methode nicht: In ihnen wird das Beryllium durch die hohen Temperaturen zerstört.

Dank des empfindlichen Detektors gelang es nun erstmals, das Beryllium in Sternen eines Kugelsternhaufens aufzuspüren und so die Zeit auf der kosmischen Uhr abzulesen. Die Sterne enthalten etwa ein Beryllium-9-Atom pro 2,224 Billionen Wasserstoff-Atome. 200 bis 300 Millionen Jahre müssen seit der Entstehung der ersten Sterne in der Milchstraße vergangen sein, damit sich soviel Beryllium ansammeln konnte.

Damit ergibt sich für die Milchstraße ein Alter von 13,6 Milliarden Jahren, plus oder minus 800 Millionen Jahre. Die Unsicherheit der komplizierten Messung ist zwar noch recht groß. Doch die Forscher sind zufrieden: Es ist die erste unabhängige Bestimmung des Milchstraßenalters. Und sie zeigt, dass die Sternentstehung nach dem Urknall sehr schnell einsetzte.