08.09.2011 —

Der Ort, an dem die schwersten chemischen Elemente im Universum wie Blei oder Gold entstehen, dürfte nun gefunden sein: In einer heftigen Kollision verschmelzende Neutronensterne sind die idealen Produktionsstätten. Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Astrophysik (MPA) und dem Exzellenzcluster Universe sowie an der Freien Universität Brüssel (ULB) haben mit detaillierten numerischen Simulationen bestätigt, dass die relevanten Atomkernreaktionen tatsächlich dort ablaufen und dabei die schwersten Elemente in den beobachteten Häufigkeiten erzeugt werden.

Viele schwere chemische Elemente entstehen durch das nukleare Brennen in Sternen. So fusioniert auch im Inneren unserer Sonne ständig Wasserstoff zu Helium und setzt dabei Energie frei. Massereichere Sterne als die Sonne schmieden danach aus Helium schwerere Elemente. Dieser Prozess funktioniert aber nur bis hin zum Eisen. Weil weiterer Energiegewinn in Fusionsreaktionen nicht möglich ist, können noch schwerere Atomkerne so nicht erzeugt werden. Sie bilden sich durch Einfang von ungeladenen Neutronen auf mittelschwere “Saatkerne”.

Zwei Prozesse spielen hierbei eine besondere Rolle: der langsame und der schnelle Neutroneneinfang. Der langsame Neutroneneinfang oder s-Prozess (vom englischen “slow” für langsam) läuft bei niedrigen Neutronendichten im Inneren von Sternen in deren späten Entwicklungsstadien ab. Der schnelle r-Prozess (vom englischen “rapid” für schnell) benötigt sehr hohe Neutronendichten. Die Physiker wissen, dass dieser r-Prozess für die Entstehung eines großen Teils der schwersten Elemente (mit Kernmassenzahlen A>80) verantwortlich ist, darunter Platin, Gold, Thorium und Plutonium (Abb. 1). Allerdings standen die Wissenschaftler vor der Frage, in welchen astrophysikalischen Objekten dieser Prozess ablaufen kann.

“Die Herkunft von etwa der Hälfte der schweren Elemente im Universum war bisher ein ungelöstes Rätsel”, sagt Hans-Thomas Janka, leitender Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Astrophysik (MPA) und Mitarbeiter im Exzellenzcluster Universe. “Lange dachte man, dass sie in Supernova-Explosionen produziert werden könnten, neuere Modelle gehen aber von dieser Theorie weg.”

Ein anderes mögliches Szenario bieten Neutronensterne (siehe Anm. 1), die in einem Doppelsystem am Ende einer Jahrmillionen dauernden Entwicklung in einer gigantischen Kollision miteinander verschmelzen. Wissenschaftler am MPA haben nun zum ersten Mal zusammen mit einem Kollegen von der Freien Universität Brüssel (ULB) die Vorgänge, die bei einer derartigen Verschmelzung ablaufen, in allen Schritten im Detail mit Computermodellen berechnet (Abb.2). Sie kombinierten dabei relativistische, hydrodynamische Simulationen des kosmischen Zusammenstosses mit Berechnungen der Kernreaktionen von über 5000 Atomkernarten (chemische Elemente und deren Isotope (siehe Anm. 2) in der bei der Sternkollision gewaltsam ausgeschleuderten Materie.

“Durch Gezeiten- und Druckkräfte werden innerhalb von tausendstel Sekunden nach der Verschmelzung der Neutronensterne einige Jupitermassen extrem heißer Materie ausgestoßen”, erklärt Andreas Bauswein, der die Simulationen am MPA durchführte. Wenn sich dieses sog. Plasma auf unter 10 Milliarden Grad abgekühlt hat, laufen die verschiedensten Kernreaktionen ab, unter anderem auch radioaktive Zerfälle, und ermöglichen die Bildung sehr schwerer Elemente. “Die schweren Elemente werden dabei in verschiedenen Reaktionsketten mehrfach prozessiert (`recycelt'), wobei Zerfälle, die zur Spaltung superschwerer Nuklide führen, eine entscheidende Rolle spielen. Dadurch hängt die endgültige Häufigkeitsverteilung der entstandenen Elemente nur wenig von den Ausgangsbedingungen des Modells ab”, fügt Stephane Goriely hinzu, der ULB-Wissenschaftler und nukleare Astrophysiker des Teams (siehe auch Abb. 3). Dies passt gut zu bereits länger gehegten Vermutungen, dass nur die Reaktionseigenschaften der beteiligten Atomkerne ausschlaggebend für die produzierte Elementverteilung sein sollten. Nur so lässt sich verstehen, warum in allen untersuchten Sternen wie auch im Sonnensystem nahezu identische relative Häufigkeiten der schweren r-Prozess-Elemente beobachtet werden.

Die Simulationen zeigten, dass die Häufigkeitsverteilung der schwersten Elemente (mit Massenzahlen A>140) sehr gut mit der in unserem Sonnensystem beobachteten übereinstimmt. Kombiniert man das Ergebnis der Modellrechnungen mit der geschätzten Zahl von Neutronensternkollisionen, die in der Milchstraße stattgefunden haben, so bestätigt sich, dass solche Ereignisse tatsächlich die Hauptquellen der schwersten chemischen Elemente im Universum sein können.

Um die theoretischen Vorhersagen weiter zu verfeinern, sind neue Studien geplant, sowohl zusätzliche Computersimulationen, die die physikalischen Prozesse noch genauer nachbilden, als auch Beobachtungskampagnen, um die frisch erzeugten schweren Elemente zum ersten Mal direkt am Ort ihres Entstehens nachzuweisen. Durch den radioaktiven Zerfall der superschweren Atomkerne wird das ausgeschleuderte Material nämlich stark geheizt und erstrahlt dadurch fast so hell wie eine Supernova-Explosion eines Sterns, wenngleich nur für wenige Tage. Astronomen suchen bereits fieberhaft nach derartigen Ereignissen!

Anmerkungen:

1. Neutronensterne sind extrem kompakte Sternleichen, die am Lebensende massereicher Sterne entstehen, wenn der Kern der Sterne kollabiert, während ihre Hülle in einer Supernova-Explosion abstoßen wird. Der dabei gebildete Neutronenstern ist rund eineinhalb Mal so schwer wie unsere Sonne, hat dennoch aber nur einen Durchmesser von 20-30 Kilometern. In einigen Fällen entstehen in einem Doppelsternsystem bei aufeinander folgenden Supernovae zwei Neutronensterne, die umeinander kreisen und dabei Energie verlieren bis sie sich so nahe kommen, dass sie miteinander verschmelzen. Derartige Ereignisse sind nicht sehr häufig. Astronomen schätzen, dass in unserer Milchstraße etwa alle 100 000 Jahre zwei Neutronensterne verschmelzen.

2. Isotope sind Atome, deren Kern gleich viele Protonen aber unterschiedlich viele Neutronen aufweist.

Originalveröffentlichung:

Stephane Goriely, Andreas Bauswein and Hans-Thomas Janka, "r-process nucleosynthesis in dynamically ejected matter of neutron star mergers", 2011 ApJ 738 L32 iopscience.iop.org/2041-8205/738/2/L32

Kontakt:
Dr. Hans-Thomas Janka
Max-Planck-Institut für Astrophysik, Garching
Tel.: +49 89 30000-2228
E-mail: hjanka@mpa-garching.mpg.de

Dr. Andreas Bauswein
Max-Planck-Institut für Astrophysik, Garching
Tel.: +49 89 30000-2236
E-mail: abauswein@mpa-garching.mpg.de

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