Helium-Isotop Verschluckt vom roten Riesen

In Sternen entsteht bei der Verschmelzung von Atomkernen nicht nur das schwere Edelgasisotop Helium-4, sondern auch das leichtere Isotop Helium-3. Wenn sich insbesondere massearme Sterne - Objekte mit weniger als zwei Sonnenmassen - am Ende ihres Lebens zu roten Riesen aufblähen, sollte ein großer Teil des bis dahin produzierten Helium-3 in den Weltraum strömen. Doch seit dem Urknall ist die Häufigkeit der leichten Variante des Edelgases im Universum nicht wesentlich gestiegen. Seit vielen Jahren rätseln die Astronomen, wo die Mengen an Helium-3 geblieben sind. Amerikanische und australische Forscher glauben, nun die Lösung für dieses Rätsel gefunden zu haben. Danach wandert das leichtere Isotop in der Spätphase der Sternentwicklung ins Zentrum des Sterns, wo es sich in Helium-4 umwandelt.

Nach heutiger Vorstellung von der Entstehung der Welt waren beim Urknall vor 13,7 Milliarden Jahren zunächst Wasserstoffkerne (Protonen) und Neutronen entstanden, von denen ein kleiner Teil anschließend in mehreren Schritten zu Helium-4-Kernen verschmolz, die sich aus je zwei Protonen und zwei Neutronen zusammensetzen. Ein kleiner Teil der Fusionsreaktionen kam dabei gewissermaßen „etwas zu spät“ in Gang und war nicht über die Produktion von Helium-3-Kernen hinausgelangt, denen im Vergleich zum schwereren Isotop ein Neutron fehlt. Am Ende des Prozesses hatten sich außer dem Löwenanteil an Wasserstoff und etwa zehn Prozent Helium-4 ganze 0,001 Prozent Helium-3 gebildet - neben einem noch deutlich kleineren Anteil an Lithium-7-Kernen.

Niedrige Helium-3 Konzentration seit Milliarden Jahren

Die Produktion von Helium-3 im Innern der Sterne hätte allerdings im Laufe der Zeit zu einer Anreicherung der leichteren Variante des Edelgases auf das Zehnfache des Ausgangswertes führen müssen. Zumindest sagen das die seit Jahrzehnten verwendeten Modelle für die Entwicklung massearmer Sterne voraus. Doch das interstellare Gas zeigt auch noch heute wie vor rund 13,7 Milliarden Jahren eine unverändert niedrige Helium-3-Konzentration.

Im Zentrum von sonnenähnlichen Sternen wird mehrere Milliarden Jahre lang überwiegend Helium-4 produziert. Etwas außerhalb vom Kern läuft das Wasserstoffbrennen unvollständig ab, wobei das leichtere der beiden Edelgasisotope entsteht, das sich außerhalb der Hauptfusionszone anreichert. Ist der Wasserstoffvorrat im Zentrum aufgebraucht, wird Helium verbrannt. Der Stern bläht sich dabei um ein Vielfaches auf, seine Oberfläche kühlt ab, und er wird zum roten Riesen. Die äußeren Schichten sind nur noch schwach an den Stern gebunden und werden durch den entstandenen Sternenwind ins All gestoßen.

Universum soll sich mit Helium-3 angereichert haben

Bislang war die Mehrheit der Astronomen davon überzeugt, daß die Schale aus Helium-3 um die Fusionszone im Verlauf der Sternentwicklung ziemlich stabil bleibt und das Isotop daher in der Endphase des Sterns ebenfalls mit nach außen getrieben wird, von wo es in den Weltraum gelangt. Somit sollte sich das Universum seit dem Urknall allmählich mit Helium-3 angereichert haben. Doch die Messungen haben einen anderen Befund geliefert.

Um die Diskrepanz zwischen Theorie und den Messungen aufzulösen, hatten Theoretiker zunächst untersucht, ob die Stabilität der Helium-3-Schale durch eine rasche Rotation des Sternkerns aufgehoben werden könnte. Möglicherweise, so ihre Annahme, käme es dadurch zu einer Durchmischung mit tiefer gelegenen Schichten und damit verbunden zu einer Weiterverarbeitung der Helium-3-Atome im Sterninneren. Entsprechende Modellrechnungen lieferten allerdings nicht das erhoffte Ergebnis. Die Lösung des Sternenrätsels haben nun dagegen die Wissenschaftler vom Lawrence Livermore National Laboratory in Kalifornien und von der Monash University offensichtlich gefunden.

Vorgänge im Inneren des Riesensterns simuliert

Die Forscher haben mit dem Supercomputer in Livermore erstmals ein dreidimensionales hydrodynamisches Modell eines virtuellen roten Riesensterns entwickelt und die Vorgänge in dessen Inneren simuliert. Dabei fanden sie eine überraschende Lösung der Helium-3-Frage, wie John Lattanzio und seine beiden Kollegen Peter Eggleton und David Dearborn in der Online-Ausgabe der Zeitschrift „Science“ ausführen.

Danach kommt es an der Grenze zwischen der weiter innen liegenden Wasserstoffbrennzone und der Helium-3-Schale offenbar zu Instabilitäten, die dazu führen, daß leichtere Wasserstoffblasen von unten aufsteigen und das schwerere Helium-3 in die entstehenden Löcher absinken kann, wo es weiter zu Helium-4 verschmilzt. So bleibt am Ende kaum noch Helium-3 übrig, das der rote Riese an seine Umgebung abgeben könnte.