Wenn in einer Galaxie neue Sterne entstehen, dann in der Regel in Sternhaufen innerhalb riesiger Gaswolken. Während einige dieser Sterne in solchen Sternhaufen klein, kalt und dunkel sind, verzeichnen andere zehnmal mehr Masse als unsere Sonne, strahlen dementsprechend hell – sterben dafür aber auch früher. Diese Unterschiede in Entstehungsmasse beeinflussen maßgeblich die Leuchtkraft einer Galaxie. „Zwerggalaxien verfügen über eine vergleichsweise geringe Gesamtmasse und bringen daher keine extrem massereichen Sterne hervor, die heller leuchten als unsere Sonne“, erklärt Prof. Dr. Pavel Kroupa vom Helmholtz-Institut für Strahlen- und Kernphysik der Universität Bonn. „Sehr massereiche elliptische Galaxien hingegen, die in der Frühzeit des Universums nahezu zehn Milliarden Sterne in nur zehn Millionen Jahren bildeten, erzeugen Millionen solcher extrem hellen Sterne.“
Wie groß die jeweilige Masse der einzelnen Sterne eines Sternhaufens ist, hängt dabei vom Zufall ab. Diese Annahme überprüften Prof. Dr. Pavel Kroupa und sein damaliger Doktorand Carsten Weidner im Jahr 2006. Sie entdeckten, dass die Masse des massereichsten Sterns von der Masse des Sternhaufens bestimmt wird.
Aus ihrer Entdeckung entwickelte Pavel Kroupa, der auch Mitglied im Transdisziplinären Forschungsbereich (TRA) „Matter“ der Universität Bonn ist, ein Konzept namens „optimal sampling“, um die Verteilung von Sternen in einer jungen Population zu berechnen. „Wenn Sterne aus einer Gaswolke entstehen, werden ihre Massen nicht zufällig bestimmt, sondern folgen einer präzisen Ordnung, die keinen Raum für statistische Schwankungen lässt“, sagt er. „Dies kann nur geschehen, wenn der Sternentstehungsprozess extrem selbstregulierend ist.“
Bislang fehlte jedoch eine physikalische Erklärung für diese Selbstregulation. Nun liefert Dr. Eda Gjergo von der chinesischen Universität Nanjing einen Ansatz mithilfe der Informationsentropie: Demnach entwickelt sich ein Sternhaufen nach einem besonders effizienten Prinzip. „Aus allen möglichen Masseverteilungsszenarien kommt das Szenario zum Tragen, das am natürlichsten für große Skalen ist und am wenigsten von mikroskopischen Details abhängt“, erklärt Erstautorin Dr. Eda Gjergo.
„Die Arbeit eröffnet einen neuen Ansatz, um Theorien über Sternpopulationen zu entwickeln. Wir benötigen nur noch eine Zahl, um zu wissen, welche Arten von Sternen und wie viele sich aus einer Gaswolke bilden werden – nämlich die Masse der Sternpopulation“, freut sich Pavel Kroupa. „Dies ermöglicht uns hocheffiziente Berechnungen zur Entwicklung von Galaxien, da wir nicht mehr Tausende von Berechnungen für eine einzelne Galaxie durchführen müssen. Das spart erhebliche Rechenzeit mit Supercomputern und damit Energie.“ Zudem müssen demzufolge viele Berechnungen der Entwicklung von Galaxien neu gemacht werden: „Im Gegensatz zur bisherigen Theorie bilden kleine Zwerggalaxien keine schweren Sterne, und das hat einen grundlegenden Einfluss auf die Theorie des Materiezyklus im Universum", erklärt Pavel Kroupa. Co-Autor Prof. Dr. Zhiyu Zhang von der Nanjing University fügt hinzu, „dass diese Ergebnisse Beobachtungsprojekte initiieren werden, um die nicht durch den Zufall gesteuerte Sternentstehung genauer zu untersuchen.“