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Elementsynthese : Extreme Sternkollisionen - die wahre Goldquelle

  • -Aktualisiert am

Natürliche Goldklumpen aus Kalifornien und Australien Bild: Natural History Museum, London

Wie ist das Gold entstanden? Lange war der kosmische Ursprungsort dieses seltenen Edelmetalls unbekannt. Theoretische Modelle bestätigen die Vermutung, es könnte wie andere schwere Elemente bei Kollisionen zwischen zwei Neutronensternen „geschmiedet“ werden.

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          Im Märchen von den Sterntalern waren es zwar Silbertaler, die vom Himmel fielen. Aber es hätten durchaus auch Goldtaler sein können. Denn Forscher aus Brüssel und Garching haben jetzt herausgefunden, wie Gold "in unsere Welt" kam. Dabei spielten extreme Sternkollisionen offenkundig eine entscheidende Rolle.

          Explosionen backen Elemente

          Am Anfang des Universums, während der ersten Minuten nach dem Urknall, konnten trotz der damals herrschenden infernalischen Temperatur- und Druckverhältnisse nur Atomkerne der leichtesten Elemente - Wasserstoff, Helium sowie geringe Mengen an Lithium - entstehen. Alle übrigen Elemente, von den Astronomen zusammenfassend als "Metalle" bezeichnet, müssen demnach erst später geformt worden sein, zum Beispiel im Innern massereicher Sterne. Allerdings reißt die Kette der stellaren Kernfusionen beim Element Eisen (Massenzahl 56) ab. Der Grund: Das Zusammenbacken noch schwererer Atome setzt keine weitere Energie frei, sondern erfordert Energiezufuhr. Da ein Stern diese Energie jedoch dazu benötigt, der eigenen Schwerkraft entgegenzuwirken, bricht er mit dem Einsetzen weiterer Fusionsprozesse unter der eigenen Last zusammen und explodiert unmittelbar darauf als Supernova.

          Eher schnell als langsam

          Elemente jenseits des Eisens müssen also auf eine andere Weise entstanden sein, zum Beispiel durch den Einfang zusätzlicher Neutronen. Das ist in zwei Varianten möglich, die als langsamer und schneller Prozess (s- und r-Prozess) bezeichnet werden. Bei vergleichsweise geringen Neutronendichten und Temperaturen, wie sie in den späten Entwicklungsstadien massereicher Sterne auftreten, vollzieht sich dieser Einfang langsam und in diskreten Schritten. In der Regel reicht die Verweildauer der massereichen Sterne in diesen späten Entwicklungsstadien jedoch nicht aus, um die wirklich schweren Atomkerne auf diesem Weg heranwachsen zu lassen.

          Für die zweite Variante, den schnell ablaufenden r-Prozess, sind dagegen recht hohe Neutronendichten und Temperaturen notwendig. Lange Zeit blieb unklar, wo im Kosmos dieser Prozess angesiedelt werden muss. Zwar bieten die Verhältnisse während einer Supernova-Explosion entsprechende Bedingungen, es passt aber die geringe kosmische Häufigkeit dieser schwersten Elemente nicht zur beobachteten Häufigkeit solcher Supernovae.

          Verräterische Sternleichen

          Durch umfangreiche Computersimulationen konnten Stephane Goriely vom Institut d'Astronomie et d'Astrophysique der Université Libre de Bruxelles zusammen mit Andreas Bauswein und Hans-Thomas Janka vom Max-Planck-Institut für Astrophysik in Garching nun nachweisen, dass wohl die wesentlich seltener auftretenden Kollisionen zweier Neutronensterne für die Entstehung von Elementen wie Platin, Gold oder Plutonium verantwortlich sind. Ein solches Szenario war bereits 1965 von Alastair Graham Walter Cameron und Sachiko Tsurata vorgeschlagen worden, hatte sich aber bislang nicht bestätigen lassen. Bei ihren Untersuchungen fanden Goriely, Bauswein und Janka, dass bei solchen Zusammenstößen zweier Neutronensterne trotz der extremen Anziehungskräfte dieser kompakten, nur ein paar Dutzend Kilometer großen Sternleichen Materie von immerhin einigen Tausendstel Sonnenmassen entweichen kann.

          Kollisionen als Goldgrube

          Wie die Forscher in den "Astrophysical Journal Letters" berichten (doi: 10.1088/2041- 8205/738/2/L32), entstehen innerhalb dieser rasch expandierenden "Neutronenwolke" alle möglichen Produkte bis weit über die Grenze der stabilen Elemente hinaus. Dabei stimmt die Häufigkeitsverteilung der schwersten Elemente (jenseits von Lanthan) gut mit derjenigen in unserem Sonnensystem beobachteten überein. Kombiniert man das Ergebnis dieser 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.

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