Schwere Elemente entstehen unter exotischen Bedingungen

3. April 2011, 18:02
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Präzisionsmassen-Messungen liefern wichtige Informationen über die Nukleosynthese in Röntgenstrahlungsausbrüchen

Eine der Grundfragen der modernen Astrophysik betrifft die Entstehung der chemischen Elemente, aus denen die Welt besteht. Heute weiß man, dass die Nukleosynthese im Innern von Sternen oder bei Sternexplosionen stattfindet. Die leichteren Elemente bis zum Eisen entstehen durch die Verschmelzung leichterer Atomkerne, wobei Energie freigesetzt wird, die die Sterne zum Leuchten anregt.

Die schweren Elemente jenseits von Eisen werden hauptsächlich durch Neutroneneinfangreaktionen erzeugt. Etwa ein Prozent dieser Atomkerne wird allerdings durch Protoneneinfangreaktionen beziehungsweise die Abspaltung von Neutronen erzeugt (sogenannte p-Nuklide).

Diese Prozesse finden in besonders heißen Regionen statt, beispielsweise auf der Oberfläche von Neutronensternen, auf die aufgrund der Gravitationskraft Materie von benachbarten Riesensternen (sogenannten "roten Riesen") überströmt. Wurde genügend Material gesammelt und verdichtet, kann es zu einer thermonuklearen Explosion kommen, in der der sogenannte rp-Nukleosyntheseprozess zündet und die p-Nuklide entstehen. Da bei diesen Explosionen intensives Röntgenlicht ausgesandt wird, spricht man auch von einem Röntgenstrahlungsausbruch.

Damit Astrophysiker diesen Nukleosyntheseprozess zuverlässig simulieren und verstehen können, brauchen sie Informationen aus astronomischen Beobachtungen und Daten über fundamentale Eigenschaften der Atomkerne, wie zum Beispiel deren Lebensdauer oder Masse. Für die Massenwerte werden extrem genaue Daten benötigt, mit Unsicherheiten, die weniger als ein Zehnmillionstel betragen.

Exotische Kerne

Mit dem Massenspektrometer SHIPTRAP am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt werden Massenmessungen mit diesen Präzision durchgeführt. Dort gelang nun einer internationalen Arbeitsgruppe unter Federführung von Kernphysikern der Justus-Liebig-Universität Gießen und der GSI Darmstadt erstmalig die direkte Massenmessung von besonderen exotischen Kernen auf dem rp-Prozess-Pfad. Überraschenderweise zeigen die Messergebnisse ungewöhnlich große Abweichungen von den bisher angenommenen Werten: Es wurden Abweichungen gefunden, die bis zu sechs Mal größer als die vorher angenommenen Unsicherheiten sind.

Die Frage, welchen Einfluss die neuen Daten auf das Verständnis der Nukleosynthese im rp-Prozess haben, wurde in einer internationalen Zusammenarbeit mit Astrophysikern untersucht. Zurzeit nimmt man an, dass der rp-Prozess, ausgehend von leichten Atomkernen in dem Bereich von sehr protonenreichen Kernen bis etwa zum Element Zinn verläuft. Hier könnte der Prozess zu einem Ende kommen, da die gebildeten Kerne durch alfa-Zerfall (einer Form von Radioaktivität) zu leichteren Elementen zerfallen und auf diese Weise ein nicht zu durchbrechender Kreislauf entsteht, ein sogenannter alfa-Zyklus, wodurch keine schwereren Elemente gebildet werden können.

Die neuen Massenwerte zeigen, dass solch ein alfa-Zyklus energetisch tatsächlich möglich ist. Damit lassen sich die Ausbeuten der chemischen Elemente im rp-Prozess berechnen und mit den beobachteten Häufigkeiten vergleichen. Weiterhin gewinnen die Astrophysiker mit solchen Daten Einblick in die physikalischen Bedingungen, die bei diesem Prozess der Nukleosynthese vorherrschen: vermutlich handelt es sich um Temperaturen von mindestens einer Milliarde Grad Celsius. (red)

  • Einige schwere Elemente entstehen auf der Oberfläche von Neutronensternen, auf die aufgrund der 
Gravitationskraft Materie von benachbarten Riesensternen überströmt.
    foto: nasa/dana berry

    Einige schwere Elemente entstehen auf der Oberfläche von Neutronensternen, auf die aufgrund der Gravitationskraft Materie von benachbarten Riesensternen überströmt.

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