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02.09.11 · 10:05 Uhr
Den "Stern den es nicht geben dürfte" gibt es doch. Zum Glück!
Kategorie: Naturwissenschaften · Kommentare: 24
Ein "Stern den es nicht geben dürfte" sitzt da draußen im Universum! So eine Überschrift lässt sich natürlich keine Zeitung entgehen, dementsprechend weit verbreitet ist die Geschichte auch. Aber was hat der Stern den nun gemacht? Gegen welches Naturgesetz hat er verstoßen? Warum soll es ihn nicht geben dürfen?
Es geht um eine wissenschaftliche Arbeit, die Elisabetta Caffau vom Zentrum für Astronomie der Universität Heidelberg mit ihren Kollegen gestern veröffenlicht haben. Der Titel lautet "An extremely primitive halo star" und hier gibt es den Volltext. Caffau & Co haben sich Sterne in Halos angesehen. "Halo" nennt man die nähere Umgebung von Galaxien; quasi die Vororte. Jede Galaxie ist von vielen Gaswolken, dunkler Materie und sogenannten Kugelsternhaufen umgeben, die zusammen den Halo bilden. Wie der Name schon sagt, ist ein Kugelsternhaufen ein kugelförmiger Haufen der aus Sternen besteht. Das können ein paar zehntausend bis hunderttausend Sterne sein und im Allgemeinen sind die Sterne dort sehr alt. Im Halo der Milchstraße haben Caffau und Kollegen nun den Stern SDSS J102915+172927 entdeckt, der ein paar sehr spezielle Eigenschaften hat.
Wenn Astronomen mehr über einen Stern herausfinden wollen, dann messen sie nicht nur seine Position und seine Helligkeit. Sie analysieren auch die Bestandteile des Lichts um herausfinden zu können, woraus der Stern besteht. Das nennt man "Spektralanalyse" weil man mit dem Licht des Sterns ein Spektrum erzeugt. Das Licht fällt auf ein geeignetes optisches Bauteil (z.B. ein Glasprisma) und trennt sich dann in die verschiedenen Farben, wie es auch bei einem Regenbogen passiert (hier spielt der Wassertropfen die Rolle des Prismas). Das farbige Muster eines Sterns enthält aber auch dunkle Linien. Die nennt man Fraunhoferlinien und sie entstehen, weil Atome der verschiedenen Elemente, die im Gas eines Sterns enthalten sind, Teil des Lichts blockieren. So entstehen dunkle Linien die für jedes Element ganz charakteristisch sind, wie ein Fingerdruck. Mit einem Spektrum können die Astronomen also ganz genau herausfinden, aus welchen Elementen ein Stern besteht. So sieht das Spektrum für SDSS J102915+172927 aus:
Wer genau hinschaut, erkennt in den Farben dunkle Linien: Das sind genau die Linien, von denen vorhin gesprochen wurde. Wenn Astronomen Sterne untersuchen, dann zeigt sich, dass sie immer alle zu einem Großteil aus Wasserstoff und Helium bestehen. Alle anderen Elemente machen nur einen winzigen Bruchteil aus. Die Sonne enthält zum Beispiel 73,5 Prozent Wasserstoff, 25 Prozent Helium und nur 1,5 Prozent bleiben für alle anderen Elemente übrig. Das ist auch nicht verwunderlich, denn immerhin sind Wasserstoff und Helium die häufigsten Elemente im Universum; sie entstanden direkt beim Urknall. Aus diesem ursprünglichen Wasserstoff- und Heliumwolken entstanden die allerersten Sterne und in deren Inneren wurden durch Kernfusion erst die restlichen, schwereren Elemente geschaffen. Als die Sterne dann ihr Leben mit einer Supernovaexplosion beendeten, wurden die neu gebauten Elemente ins All geschleudert, in die Gaswolken aus denen dann wieder Sterne entstehen können. Die Sterne der nächsten Generation enthielten also schon nicht mehr nur Wasserstoff und Helium sondern auch ein paar schwerere Elemente, die in der Astronomie alle zusammen (und etwas abweichend vom normalen Sprachgebrauch) als "Metalle" bezeichnet werden. Ein Stern besteht also aus Wasserstoff, Helium und Metallen und die Metallizität eines Sterns ist eine wichtige Kenngröße. Bei SDSS J102915+172927 ist sie enorm gering, was darauf hindeutet, dass er auch sehr alt sein muss - etwa 13 Milliarden Jahre. Er kann nicht zur ersten Generation der Sterne gehören; dann dürfte er gar keine Metalle haben (so einen Stern haben wir bis heute auch noch nicht entdeckt) aber er kann nicht lange danach entstanden sein.
Die Metalle spielen nicht nur eine Rolle für die Entwicklung des Sterns selbst, sie sind auch wichtig bei der Entstehung eines Sterns. Das passiert ja in interstellaren Gaswolken, die kollabieren und unter ihrem eigenen Gewicht immer weiter zusammenfallen, bis es in ihrem Inneren heiß genug für eine Kernfusion ist. Damit die Gaswolke aber überhaupt kollabieren kann, darf es erstmal nicht heiß sein. Denn wenn die Wolke zu warm ist, dann wäre der Druck in ihrem Inneren zu stark um zusammenfallen zu können. Die Wolke muss also kühl sein (oder aber sehr groß) und eine Möglichkeit dafür ist die Anwesenheit von Metallen. Wie ein Kühlmittel sorgen sie dafür, dass Wärme abgestrahlt wird und die Wolke kollabieren kann. Besonders geeignet hierfür sind Kohlenstoff und Sauerstoff. Man ging also bisher immer davon aus, dass kleine Sterne so SDSS J102915+172927 nur aus Gaswolken entstehen können, die eine ausreichend große Menge an Sauerstoff und Kohlenstoff enthalten. In den Sternentstehungsmodellen gab es einen "kritischen Wert" der Sauerstoff/Kohlenstoff-Menge unterhalb dessen keine kleinen Sterne entstehen konnten. Bei SDSS J102915+172927 liegt der Wert aber unter dem kritischen Wert und deshalb nennt man ihn den "Stern den es nicht geben dürfte". Es gibt ihn aber ja unzweifelhaft und man wird die Modelle der Sternentstehung also ein klein wenig überarbeiten müssen.
SDSS J102915+172927 hat noch ein paar andere interessante Eigenschaften. Er enthält zum Beispiel sehr wenig Lithium. Was die Kosmologie angeht, ist Lithium ein besonderes Elemente. Neben Wasserstoff und Helium ist es das einzige Element dass, wenn auch in sehr geringen Mengen, direkt beim Urknall entstand. Es findet sich daher auch von Anfang an in allen Gaswolken und damit in allen Sternen. So wie Wasserstoff in den Sternen zum Helium fusioniert wird, kann aber auch das Lithium durch nukleare Prozesse im Sterninneren wieder vernichtet werden. 1982 haben François und Monique Spite den Lithiumgehalt von Halo-Sternen gemessen. Das sind die gleichen alten Sterne, die auch Caffau und ihre Kollegen untersucht haben, und die Spites erhofften sich aus der Analyse der alten Sterne Hinweise auf den ursprünglichen Lithiumgehalt im Universum. Sie erstellten ein Diagramm, dass die Menge an Lithium in einem Stern in Abhängigkeit der Temperatur anzeigt:
Links sieht man die eher wärmeren Sterne, rechts die kühleren. Und der Lithiumgehalt bleibt auf der linken Seite lange konstant - das nennt man mittlerweile das "Spite-Plateau" - bevor er dann bei den kühlen Sternen absinkt. Der Grund ist die Konvektion. So wie warme Luft aufsteigt und kalte absinkt, bewegt sich auch das Gas bzw. Plasma eines Sterns. Bei großen, heißen Sternen (auch unsere Sonne gehört hier dazu) findet diese Konvektion nur in den äußeren Schichten statt. In Kernnähe ist die Strahlung wegen der hohen Temperaturen so stark, dass keine Konvektion stattfindet. Kühle Sterne dagegen sind voll konvektiv, das ganze Material wird regelmäßig von außen nach innen umgewälzt. So wird dort auch das ganze Lithium in den Kern des Sternes transportiert wo es heiß genug ist, um es zu zerstören. Die beiden Spites haben also das Plateau in ihrem Diagramm als die Menge an Lithium interpretiert, die beim Urknall entstanden ist und die deswegen in allen alten Sternen enthalten ist. Nur bei den kühleren Sternen rechts im Diagramm hat die Konvektion dazu geführt, dass das Lithium im Laufe der Zeit zerstört wurde. SDSS J102915+172927 sollte aber eigentlich noch seine ursprüngliche Lithium-Menge haben; der gemessene Wert liegt aber deutlich unterhalb des Spite-Plateaus (das hat man aber auch schon früher bei ein paar anderen Sternen gemessen). Es scheint also noch andere Mechanismen zu geben, bei denen Lithium in den Kern von Sternen transportiert und vernichtet wird.
SDSS J102915+172927 ist auf jeden Fall ein ziemlich faszinierendes Objekt. "Der Stern den es nicht geben dürfte" ist aber vielleicht ein wenig zu dramatisch als Bezeichnung. Immerhin verstößt er gegen keine fundamentalen Naturgesetze - er zeigt uns nur, dass unsere Modelle zur Erklärung der Entstehung kleiner Sterne nicht ganz korrekt sind. Aber trotzdem sind es genau diese Entdeckungen, die so enorm wichtig in der Wissenschaft sind! Klar, es ist auch wichtig, Beobachtungen zu machen, die schon bestehende Theorien bestätigen, sehr wichtig sogar. Aber wenn etwas nicht klappt, ist das mindestens genau so wichtig. SDSS J102915+172927 zeigt uns, wo die bestehenden Modelle ihre Schwachpunkte haben und wie sie abgeändert werden müssen. Die Entdeckung von SDSS J102915+172927 und seine Analyse werden dazu führen, dass wir danach die Welt wieder ein kleines bisschen besser verstehen und erklären können. Und genau darum geht es ja in der Wissenschaft!
Caffau, E., Bonifacio, P., François, P., Sbordone, L., Monaco, L., Spite, M., Spite, F., Ludwig, H., Cayrel, R., Zaggia, S., Hammer, F., Randich, S., Molaro, P., & Hill, V. (2011). An extremely primitive star in the Galactic halo Nature, 477 (7362), 67-69 DOI: 10.1038/nature10377
Autor: Florian Freistetter· 24 Kommentare· Permalink· Trackback-URL
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Kommentare (24)
.
"Nur bei den kühleren Sternen links im Diagramm hat die Konvektion dazu geführt, dass das Lithium im Laufe der Zeit zerstört wurde."
*rechts* im Diagramm...
Mir ist nicht ganz klar geworden, weshalb Sterne der ersten Generation überhaupt keine Metalle enthalten sollten. Schliesslich entstehen die Metalle ja in ihnen (und sind dann auch bis zur Supernova anwesend), was dann auch detektiert werden könnte, oder nicht?
Die Überschrift in der Presse müsste also eigentlich so heißen: "Der Stern, den es nicht geben dürfte, wenn die Wissenschaft wie die Religion funktionierte."
In der Religion wäre nämlich die bisherige Erklärung der Sternenentstehung vollständig und richtig, da von Gott gegeben. Ist es nicht schön, dass die Wissenschaft nicht so funktioniert? :)
Nein Franzl Lang!
Ein Stern verbrennt Wasserstoff zu Helium und Wasserstoff zu Helium und Wasserstoff zu Helium und Wasserstoff zu Helium und so weiter.
Und irgendwann bläst er sich auf und wird größer, da verbrennt er immer noch Wasserstoff zu Helium und dann wird das ein Roter Riese und erst da wird Helium zu Beryllium und Kohlenstoff und dann zu höheren Elementen.
Sind die Nicht-H/He-Elemente (Metalle sind überall sonst sinnvoll anders definiert) wirklich so gleichverteilt über das Universum, dass man von deren Anteil im Stern direkt auf das Alter schliessen kann?
@Franzl Lang: Die Metalle entstehen im Inneren der Sterne; über die Spektren kann man aber nur die Zusammensetzung der alleräußersten Schichten messen. Wenn's da keine/kaum Durchmischung (Konvektion) gibt, dann sieht man von den innen entstandenen Metallen außen nichts.
Wurde schon mal ein Stern der ersten Generation beobachtet? Und zu welcher Generation gehört unsere Sonne?
@AndreasM: Man kann Sterne in verschiedene "Populationen" einteilen; innerhalb einer Population ist der Metallgehalt tatsächlich immer relativ ähnlich.
Jonas:
http://de.wikipedia.org/wiki/Population_(Astronomie)
Die Sonne gehört zur Population I. Das sind die zuletzt entstandenen Sterne. P III sind die ersten Sterne, die Nummerierung ist etwas "verkehrt" herum.
@AndreasM: "Sind die Nicht-H/He-Elemente (Metalle sind überall sonst sinnvoll anders definiert) wirklich so gleichverteilt über das Universum, dass man von deren Anteil im Stern direkt auf das Alter schliessen kann? "
In dem Fall geht es ausschließlich um Lithium; das entstand beim Urknall und war gleichverteilt.
@Jonas: Nein, von der ersten Generation hat man keine Sterne beobachtet. Unsere Sonne gehört zur dritten Generation; obwohl die Astronomen da eigentlich andere Fachbegriffe haben.
Population I Sterne (wie die Sonne) sind jung und enthalten viele Metalle
Population II Sterne (wie der aus dem Artikel) sind alt und enthalten wenige Metalle
Population III Sterne (kennt man noch keinen) sind noch älter und enthalten keine Metalle.
@Wurgl&Florian: Vielen Dank.
Hallo zusammen!
vielleicht eine überflüssige frage,aber könnte es einen stern geben der ein einziger sagen wir mal atlantik wäre?also zu 100% ein meer?
Danke!
"Die Metalle spielen nicht nur eine Rolle für die Entwicklung des Sterns selbst, sie sind auch wichtig bei der Entstehung eines Sterns. Das passiert ja in interstellaren Gaswolken, die kollabieren und unter ihrem eigenen Gewicht immer weiter zusammenfallen, bis es in ihrem Inneren heiß genug für eine Kernfusion ist. Damit die Gaswolke aber überhaupt kollabieren kann, darf es erstmal nicht heiß sein. Denn wenn die Wolke zu warm ist, dann wäre der Druck in ihrem Inneren zu stark um zusammenfallen zu können. Die Wolke muss also kühl sein (oder aber sehr groß) und eine Möglichkeit dafür ist die Anwesenheit von Metallen"
Das verwirrt mich. Wie sind denn die allerersten Sterne dann entstanden wenn es vor ihnen noch gar keine Metalle gab? Waren die äußeren Bedingungen in den Gaswolken noch anders, das es erst kurz nach dem Urknall war und somit möglich?
@jochen pohlmann: "aber könnte es einen stern geben der ein einziger sagen wir mal atlantik wäre?also zu 100% ein meer?"
Wie soll denn das gehen? Ein Stern muss heiss sein, heiß genug damit in seinem Inneren Kernfusion stattfinden kann. Ein Stern aus Wasser kann nicht existieren, der verdampft. Oder meinst du einen Planeten?? Sowas könnte es geben: http://www.scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2009/04/nichts-als-wasser-ozeanplaneten.php
@Paul Zelmer: "Waren die äußeren Bedingungen in den Gaswolken noch anders, das es erst kurz nach dem Urknall war und somit möglich? "
Ich bin jetzt kein Experte für Sternentstehung. Aber hier geht es speziell um kleine Sterne. Eine kleine Wolke muss gekühlt werden, damit sie zusammenfallen kann. Größere schaffen es auch anders. Und soweit ich weiß, geht man davon aus, dass die ersten Sterne sehr groß waren - und auch dementrsprechend kurz lebten (je schwerer ein Stern, desto kürzer lebt er). Darum sind sie ja auch heute so schwer zu finden.
@Florian
Planet!toller link!Danke!
Wenn ein Doppelsternsystem entsteht, entstehen beide Partner doch aus der selben Wolke, die dann schon ziemlich verdichtet ist, wenn sie sich auf die beiden Sterne aufspaltet, und dann aufgrund der Eigengravitation auch bei höherer Temperatur noch kollabieren kann. Dann sollte es doch möglich sein, dass der Prozess, der sonst nur zu großen Einzelsternen führt, auch Sternpaare mit einem großen Partner und einem viel kleineren herovrbringt. Angenommen, es ensteht ein kleiner Stern zusammen mit einem großen. Wenn nun der größere Partner abhanden kommt - er explodiert als Supernova, verliert dabei mehr als die Hälfte seiner Masse und damit Anziehungskraft, und der kleine Begleiter fliegt ihm davon - dann hat man am Ende einen einsamen Streuner, der alleine so nicht enstanden wäre. Wäre das keine mögliche Erklärung?
Danke für diesen ergänzenden Artikel zum Thema.
"Der Stern den es nicht geben dürfte" ist aber vielleicht ein wenig zu dramatisch als Bezeichnung. Immerhin verstößt er gegen keine fundamentalen Naturgesetze - er zeigt uns nur, dass unsere Modelle zur Erklärung der Entstehung kleiner Sterne nicht ganz korrekt sind.
Eigentlich verstößt der Stern doch gegen nichts, außer dass er -so wie beschaffen ist- dort, wo er gefunden wurde, nicht hingehört. Dies lässt erst mal zwei Schlüsse zu:
1. Das Sternentsehungsmodoll stimmt nicht ganz, oder
2. der Stern ist woanders entsanden und ist irgendwie dort wo er jetzt ist hingeraten.
Dort wo er entstanden ist, waren die Bedingungen genau so, dass für seine Entstehung das Sternentsehungsmodoll nicht geändert werden muss.
Sollte man daher vielleicht nicht erst einmal ausschließen, dass es sich um einen Streuner (s. Kommentar Alderamin) handelt, bevor man ein ganzes Modell verändert, nur um die Existenz eines einzigen Sterns zu erklären?
Ich habe mal das Buch "Weißt du, wie viel Sterne stehen" (Harald Lesch/Jörn Müller) gelesen. Da wird sehr genau auf die Sternentstehung und den Werdegang von Sternen eingegangen. Das Buch war an einigen Stellen zwar etwas zäh und ich habe auch nicht alles verstanden (was wohl aber eher an mir lag), manchmal hat mir auch ganz schön der Kopf geraucht, trotzdem war es für mich eine sehr lehrreiche Lektüre, und möchte daher das Buch weiterempfehlen.
@mr_mad_man:
nein, es geht nicht darum, dass der stern dort wo er gefunden wurde nicht hingehört, sondern tatsächlich darum, dass er nach den derzeit verwendeten sternentstehungsmodellen nicht entstehen hätte können, siehe florians zweiten absatz unter dem bild mit dem spektrum.
"In den Sternentstehungsmodellen gab es einen "kritischen Wert" der
Sauerstoff/Kohlenstoff-Menge unterhalb dessen keine kleinen Sterne entstehen konnten."
@Simon: Oh ja stimmt. Danke. Hatte ich zwar gelesen (im Sinne von Wörter wahrgenommen) aber wohl zu flüchtig, und somit ist es im Gehirn nicht wirklich angekommen. Dieser Stern hätte also weder dort noch sonstwo nach dem gültigen Modell entstehen können. Wenn man jetzt noch eventuelle Messfehler ausschließen kann, muss man wohl tatsächlich das Modell erweitern. Bin jetzt schon auf die Ergenisse gespannt.
@mr_mad_man & Simon
Mein Argument bezog sich nicht darauf, WO ein kleinerer Stern entstanden sein könnte, sondern WIE, nämlich als Doppelsternpartner, und wie er dann zum Einzelstern wurde. Wenn eine Wolke zu einem großen Stern kollabieren kann und dann am Ende, wenn sie dicht genug ist, noch einen kleineren Partner zustande bringen kann, weil der Drehimpuls irgendwo hin muss und die Eigengravitation in der kompakten Wolke den inneren Druck überwindet, dann wäre die Entstehung von kleinen Sternen vielleicht möglich, und dann ließe sich auch leicht ein Fall konstruieren, wo ein solcher Stern zum Einzelsten wird.
Wenn allerdings selbst in der unmittelbaren Umgebung eines großen Sterns kein anderer entstehen kann, weil der Gasdruck auch dann noch die Schwerkraft übertrifft, dann wäre das hinfällig. Die Idee war ja als Frage formuliert: wäre so etwas möglich?
Frage beantwortet mit "ja".