Supermassereiche Ursterne als Ursprung von Galaxien und schweren Elementen: Ein

[Harrass]

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Supermassereiche Ursterne als Ursprung von Galaxien und schweren Elementen: Ein alternativer Ansatz zur Galaxienentstehung
Einleitung
Die Entstehung von Galaxien und die Verteilung schwerer Elemente im frühen Universum zählen zu den zentralen Fragen der modernen Astrophysik. Während das Standardmodell davon ausgeht, dass sich Galaxien durch die Akkretion von Gas im Dunklen-Materie-Halo und schwere Elemente durch Supernovae und Neutronensternverschmelzungen gebildet haben, bleibt die gleichmäßige Verteilung dieser Elemente über große kosmische Distanzen schwer erklärbar. Eine alternative Theorie postuliert, dass extrem massereiche Sterne – deutlich schwerer als bisher beobachtete – als erste Leuchtobjekte des Universums entstanden und durch ihren Kollaps nicht nur die Grundlage für Quasare und supermassive Schwarze Löcher bildeten, sondern auch Galaxienstrukturen sowie die Synthese schwerer Elemente durch r-Prozesse in Jets maßgeblich beeinflussten.
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1. Hypothese: Supermassereiche Sterne als Urzellen von Galaxien
Die hypothetischen ersten Sterne des Universums, sogenannte Population-III-Sterne, werden als sehr heiß und massereich angenommen. Während bisherige Modelle von Massen bis etwa 300 Sonnenmassen ausgehen, erweitert diese Theorie das Massenspektrum auf tausende Sonnenmassen. Solche Sterne wären nicht nur instabil, sondern auch kurzlebig und könnten in einer Art hyperenergetischen Supernova oder einem direkten Kollaps zu einem Schwarzen Loch enden.
In dieser Theorie nehmen diese supermassereichen Sterne die Rolle von "Ursaaten" für Galaxien ein:
• Explosionsgetriebene Materieausbreitung: Der Kollaps erzeugt ein extrem starkes Gravitationsfeld und kann Jets erzeugen, die große Mengen an ionisiertem Gas in die Umgebung schleudern – ein Vorgang, der dem eines Quasars ähnelt, jedoch früher und stärker lokalisiert auftritt.
• Beginn von Galaxienstruktur: Das ausgeworfene Material, besonders bei axial symmetrischen Auswürfen durch Jets, könnte bereits die Grundlage für rotierende, spiralförmige Strukturen legen.
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2. Jets als Ort der r-Prozesse und Quelle schwerer Elemente
Ein zentrales Problem in der kosmologischen Elemententstehung ist die Erklärung der Verteilung r-Prozess-Elemente wie Gold, Platin oder Uran, die nur unter extremen Bedingungen gebildet werden können. Üblicherweise werden dafür Neutronensternfusionen verantwortlich gemacht. Diese sind jedoch selten und lokal, was mit der großflächigen Verteilung schwerer Elemente nur schwer vereinbar ist.
In der hier vorgestellten Theorie könnten die Jets der kollabierenden supermassereichen Sterne selbst Orte von r-Prozessen sein:
• r-Prozess-Umgebung: In den kollimierten Jets herrschen extrem hohe Neutronendichten, Temperaturen und magnetische Felder – die perfekten Bedingungen für schnelle Neutroneneinfänge (r-Prozesse).
• Verteilung: Da die Jets Material mit hoher Geschwindigkeit weit in den intergalaktischen Raum schleudern, würden so gebildete schwere Elemente großräumig verteilt – weit effektiver als bei lokalen Supernova-Explosionen.
• Früher Zeitpunkt: Diese Prozesse würden bereits im „kosmischen Morgengrauen“ stattfinden, also noch bevor sich stabile Galaxienstrukturen oder Planetensysteme bilden – was erklärt, warum bereits sehr alte Sterne und planetare Körper Spuren schwerer Elemente enthalten.
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3. Von asymmetrischer Verteilung zu spiralförmiger Struktur
Die gewaltigen Ausbrüche der supermassereichen Sterne würden zunächst zu asymmetrischen Strukturen führen. Die Jets selbst sind stark gerichtet, was eine ungleichmäßige Verteilung der Auswurfmaterie nahelegt. Dennoch gibt es einen Mechanismus, wie sich daraus über kosmologische Zeiträume symmetrische Strukturen entwickeln könnten:
• Differenzielle Rotation und Gravitationsinstabilitäten führen mit der Zeit zur Ordnung im ursprünglich chaotischen Materiefeld.
• Die beim Kollaps des Sterns entstehenden Zentren hoher Dichte – möglicherweise direkt supermassive Schwarze Löcher – fungieren als Ankerpunkte, um die sich Gas und Staub zu rotierenden Scheiben formen können.
• Die Richtung und Dynamik der ursprünglichen Jets könnte die Drehimpulsrichtung der entstehenden Galaxie maßgeblich beeinflussen.
Diese Entwicklung ist konsistent mit Beobachtungen: Junge Galaxien im frühen Universum erscheinen oft irregulär, viele bilden aber im Laufe von Milliarden Jahren deutlich ausgeprägte Spiralstrukturen.
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4. Vergleich mit der Standardtheorie

Aspekt Standardtheorie / Theorie supermassereicher Sterne
Ursprung schwerer Elemente
Neutronensternfusion, Supernovae / r-Prozesse in Jets kollabierender Ursterne

Galaxienstruktur
Akkretion in DM-Halos, Drehimpuls durch kosmische Gasflüsse / Auswurfstruktur durch hypermassive Sternexplosion, spätere Rotation

Gleichmäßige Verteilung schwerer Elemente schwer erklärbar, da lokale Quellen / plausibel durch frühzeitige, energiereiche, gerichtete Jets

Frühform der Galaxien irregulär, durch viele Fusionen geformt / asymmetrisch, aber mit möglicher späterer Spiralstruktur durch Jet-Symmetrie

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5. Frühe Entstehung schwerer Elemente: Gold und Uran im kosmischen Morgengrauen
Ein zentrales Argument zugunsten der hier vorgestellten Theorie ist die Frage nach dem Ursprung der schwersten Elemente im Periodensystem, insbesondere jener, die durch den rapid neutron capture process (r-Prozess) entstehen – etwa Gold, Uran, Thorium oder Platin.
Das Standardmodell erklärt diese Elemente größtenteils durch Neutronensternverschmelzungen, also seltene Ereignisse, die erst mehrere hundert Millionen Jahre nach der ersten Sternentstehung eintreten. Dies steht jedoch im Widerspruch zu Beobachtungen:
• In extrem alten Sternen unserer Galaxie – insbesondere in metallarmen Halo-Sternen – wurden signifikante Mengen r-Prozess-Elemente gefunden.
• Diese Sterne müssen kurz nach dem Urknall entstanden sein, was bedeutet, dass die schweren Elemente bereits davor vorhanden gewesen sein müssen.
Die hier vertretene Hypothese liefert eine natürliche Erklärung:
Die Jets kollabierender supermassereicher Ursterne könnten extrem dichte, neutronenreiche Zonen geschaffen haben, in denen r-Prozesse bereits im sehr frühen Universum stattfanden – nur wenige hundert Millionen Jahre nach dem Urknall.
Diese Vorstellung bietet mehrere Vorteile:
• Frühzeitige Verfügbarkeit schwerer Elemente zur Bildung erster Planetenkerne und chemisch angereicherter Sternentstehungsgebiete,
• Weiträumige Verteilung durch gerichtete Jets und Auswurfstrukturen, die der späteren galaktischen Struktur bereits ähneln,
• Erklärung der chemischen Signatur alter Sterne ohne auf spätere, seltene Verschmelzungsereignisse angewiesen zu sein.
Wenn dies zutrifft, müsste jede spätere Sternpopulation (ab Population II) bereits in einer Umgebung entstanden sein, die Gold, Uran und andere r-Prozess-Elemente enthielt. Diese Vorhersage ist mit aktuellen spektroskopischen Beobachtungen vereinbar und könnte durch zukünftige Missionen (z.?B. James Webb Space Telescope, ELT) weiter geprüft werden.
Fazit
Die Theorie supermassereicher Sterne als Auslöser sowohl der Galaxienbildung als auch der frühzeitigen Verbreitung schwerer Elemente bietet eine konsistente Erklärung für mehrere offene Fragen der Kosmologie:
• Sie erlaubt einen frühen Beginn der r-Prozesse, wodurch schwere Elemente in der gesamten Galaxie verteilt werden können, noch bevor komplexere Strukturen wie Sonnensysteme entstehen.
• Der Auswurfmechanismus durch Jets kann die beobachtete Spiralstruktur erklären, insbesondere wenn die Jets eine gewisse Symmetrie oder Rotation aufweisen.
• Die Rolle dieser Sterne als Vorläufer der zentralen supermassiven Schwarzen Löcher würde den beobachteten Zusammenhang zwischen Galaxienmassen und ihren Kernen natürlich erklären.
Zukünftige Simulationen und Beobachtungen sehr ferner Galaxien und ihrer chemischen Zusammensetzung könnten Hinweise liefern, ob diese extremen Ursterne tatsächlich existierten – und ob sie das Universum in der Form geprägt haben, wie wir es heute beobachten.
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Der deutsche Sonderweg, Atomkraft ausgerechnet durch Braunkohle zu ersetzen, wird das Klima nicht retten.