POPULATION III-

STERNE

Aufbau und Entwicklung der Galaxis I – UE WS 12/13

Nadja Lampichler

Überblick

• Was sind Population III-Sterne?

• Entstehung

• Kühlung

• Zeitpunkt der Entstehung

• Auswirkungen auf heutiges Universum

• Endstadien der Population III-Sterne

• Paarinstabilitätssupernovae

Was sind Population III-Sterne?

• Population = Untermenge von Sternen mit

ähnlichen Eigenschaften

• Population I-Sterne: Z~0.02

Population II-Sterne: Z~0.001

Population III-Sterne: Z=0?

→ hypothetische Sternpopulation

• Nach dem Urknall: ~75% H, ~25% He, Spuren von Li → keine Metalle

• Annahme: die ersten Sterne entstanden nur aus H und He

• Pop II-Sterne: die ältesten bisher beobachteten Sterne

- in ihren Spektren jedoch schon Metalle

• Schlussfolgerung: es gab eine noch ältere Generation von Sternen

Bildung von Pop III-Sternen

• Dichteschwankungen der Materie und Dunklen

Materie im frühen Universum

• Materie durch Strahlungsdruck zunächst

geglättet, Dunkle Materie war jedoch „immun“

dagegen und verklumpte

• Entwicklung eines Netzwerkes aus

filamentartigen Strukturen

• Materie wurde gravitativ angezogen und sammelte sich an diesen Strukturen an

• Es entstanden knoten-artige Verdichtungen, die sich gravitativ zusammen zogen

• Dabei auf über 1000 K erhitzt

http://www.solstation.com/x-objects/first.htm

Kühlung

• Kühlung durch H2

→ H2 kollidierte mit H-Atomen → e- angeregt

→ bei Abregung Infrarot-Strahlung emittiert

→ Wolken auf 200 bis 300 K gekühlt

• Jeans-Masse MJ: stark

von Temperatur

abhängig

• MJ von Pop III-Sternen

sehr viel größer als von

heutigen Sternen

• Wahrscheinlich keine bzw. nur sehr geringe

Fragmentierung

• Das heißt: Pop III-Sterne waren sehr massereich:

weniger als 100 bis zu 1000 Sonnenmassen!

• Materie kontrahierte zu rotierenden Klumpen

• Simulationen: Klumpen waren wahrscheinlich

flach und scheibenförmig

• Materie wurde von Dunkler Materie getrennt

→ diese blieb verstreut außerhalb

• Minihalos aus Dunkler Materie mit ca. 106

Sonnenmassen → Miniaturausgaben von

Spiralgalaxien

Stacy et al., 2012

• Die dichtesten Klumpen kollabierten zu den

ersten Sternen

• Protosterne akkretierten relativ schnell viel

Masse bis Kernschmelzung einnsetzte

Zeitpunkt der Entstehung

• Wann gab es die ersten Sterne?

• Verschiedene Annahmen, aber wahrscheinlich etwa 100-250 Mio. Jahre nach dem Urknall

• Ende vom „Cosmic Dark Age“

http://www.space.com/13219-photos-big-bang-early-

universe-history.html

Auswirkungen auf heutiges Universum

• Quelle der ersten Metalle → Anreicherung des

primordialen Gases → Universum erhielt neue

Eigenschaften

• Kühlung durch Metalle viel effizienter →

beeinflusst Wolkenbildung und Stern-

entstehung

• Chemische Verbindungen von Metallen, z.B.

Siliziumdioxid → Bildung von Staub

(Kühlung)

• Durch effizientere Kühlung: Bildung von

Sternen mit geringeren Massen möglich

Reionisation

• Pop III-Sterne: sehr heiß → Oberflächentemp.

von bis zu 100000 K möglich

• Überwiegend UV-Strahlung abgestrahlt →

umgebendes Gas wurde ionisert: Zeitalter der

Reionisation (ca. 150-400 Mio. Jahre nach

dem Urknall)

http://www.solstation.com/x-objects/first.htm

Endstadien von Pop III-Sternen

• Sehr kurzlebig: viele nur 3-4 Mio. Jahre alt

• 140-260 MS: Paarinstabilitätssupernovae

• 15-40 MS : Kernkollapssupernovae

• 40-140 und >260 MS : Schwarzes Loch

• Bei SN-Explosionen → Großteil des Materials weggeschleudert → Anreicherung des IGM

Paarinstabilitätssupernova

• Stern kollabiert nicht zu einem kompakten

Objekt, sondern wird vollkommen zerrissen

• PISNs sind möglich, wenn Vorgängerstern

sehr ,sehr metallarm ist und eine bestimmte

Masse hat

• Erzeugung von Elektron-Positron-Paaren

• Explosionsartiges Sauerstoff- und

Siliziumbrennen → sehr hoher Druck

Mögliche PISN-Kandidaten

• SN 2006gy (NGC

1260): 240 Mio.

Lichtjahre

• SN 2007bi (Anon

J131920+0855): 1,7

Mrd. Lichtjahre http://ksj.mit.edu/tracker/2007/05/wires-almost-

everybody-kerpow-biggest-ba

Beobachtung

• In weit entfernten Galaxien – heute noch nicht

möglich

• Weitere Möglichkeit: massearme Pop III-

Sterne, die aus ihrem DM-Minihalo hinaus

gestoßen wurden → könnten heute noch

existieren

Noch viele offene Fragen…

• Einfluss der Rotation?

• IMF der Pop III-Sterne?

Referenzen

• Stacy et al., Rotation and Internal Structure of Population III Protostars, Mon. Not. R. Astron. Soc. 000 (2012), pp. 1-17

• Larson R., Bromm V., The First Stars in the Universe, Scientific American (2009): http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=the-first-stars-in-the-un

• http://abenteuer-universum.de/sterne/firststars.html

• http://www.solstation.com/x-objects/first.htm