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Astronomie+Physik

Kollision lieferte schwere Elemente

Neutronenstern
Wenn zwei Neutronensterne kollidieren, entstehen die schwersten Elemente. (Bild: sakkmesterke/ iStock)

Woher stammen die schwersten Elemente der Erde und des Sonnensystems? Bekannt ist, dass schon die solare Urwolke beträchtliche Mengen radioaktiver Atome wie Plutonium oder Curium enthielt. Doch ihre Quelle war bisher unklar. Jetzt haben Forscher eine mögliche Antwort gefunden. Demnach könnte eine nahe Kollision zweier Neutronensterne die schweren Isotope geliefert haben. Ihrem Modell zufolge könnte sich kurz vor Bildung des Sonnensystems eine solche Verschmelzung in rund 1000 Lichtjahren Entfernung von der Urwolke ereignet haben. Bei dieser kosmischen Katastrophe strömten einige Trillionen bis Trilliarden Kilogramm radioaktiver Actinoide in die Geburtszone des Sonnensystems.

Am Uranfang des Universums gab es nur die Elemente Wasserstoff und in geringeren Teilen Helium und Lithium. Die nächst schwereren Atomsorten wurden dagegen erst durch die Kernfusion im Inneren von Sternen gebildet. Doch dieser Fusionsprozess sonnenähnlicher Sterne kann nur Elemente bis zum Eisen erzeugen. Für noch schwerere Atomkerne reichen Druck und Hitze im Sterneninneren nicht aus. Damit sie mithilfe des schnellen Neutroneneinfangs im (r-Prozess) gebildet werden können, müssen extrem hohe Temperaturen und hohe Neutronendichten zusammentreffen. Gängiger Theorie nach ist dies nur bei Supernova-Explosionen und beim Verschmelzen zweier Neutronensterne der Fall. Bei extrem schweren Elementen wie den radioaktiven Actinoiden Plutonium oder Curium gehen Forscher davon aus, dass nur die Kollision von Neutronensternen genügend Energie freisetzt, um diese Atomkerne zu erschaffen.

Spurensuche im Umfeld der Urwolke

Das weckt die Frage, woher die Erde und die Planeten des Sonnensystems diese schweren Elemente bekommen haben, denn von der Sonne können sie nicht stammen. Um das herauszufinden, haben nun Imre Bartos von der University of Florida und Szabolcs Marka von der Columbia University Isotopendaten von Meteoriten mit einer Simulation der Ereignisse in der Umgebung des Entstehungsgebiets des Sonnensystems kombiniert. „Meteoriten, die im frühen Sonnensystem gebildet wurden, tragen in sich die Spuren der damaligen radioaktiven Elemente“, erklärt Bartos. „Denn die Tochterprodukte der damals vorhandenen Isotopen aus dem r-Prozess wurden in Hochtemperatur-Kondensaten konserviert, die in Meteoriten zu finden sind.“ Für ihre Studie ermittelten die Forscher zunächst mithilfe solcher Meteoritendaten, welche Mengen dieser Actinoide im frühen Sonnensystem vorhanden waren. Dann nutzten sie die numerischen Simulationen, um die wahrscheinlichste Quelle dieser Elemente in der solaren Umgebung zu bestimmen.

Die Auswertung ergab: Die Menge an radioaktiven Actinoiden wie Plutonium und Curium in der Urwolke des Sonnensystems war deutlich höher als im interstellaren Medium der Milchstraße. Auch Supernovae scheiden nach den Berechnungen von Bartos und Marka als Hauptquelle dieser schweren Elemente aus. Bleibt die Neutronenstern-Kollision: „Eine einzelne Quelle sticht als primäre Quelle der kurzlebigen r-Prozess-Isotope heraus“, berichten sie. „Demnach gab es wahrscheinlich eine Neutronenstern-Kollision, die den Großteil des Curiums und einen beträchtlichen Anteil des Plutoniums im frühen Sonnensystem produzierte.“

Kollision in 1000 Lichtjahren Entfernung

Diese kosmische Kollision der beiden extrem dichten Sternenreste muss sich den Simulationen nach vor rund 4,6 Milliarden Jahren ereignet haben – etwa 80 Millionen Jahre bevor aus der Urwolke das Sonnensystem entstand. Ihr Abstand von der Sonne betrug rund 1000 Lichtjahre, wie die Forscher ausrechneten. „Wenn ein vergleichbares Ereignis heute im gleichen Abstand passieren würde, dann würde die dabei freigesetzte Strahlung den gesamten Nachthimmel erhellen“, sagt Marka. Die urzeitliche Neutronenstern-Kollision könnte den Einstrom von 30 Trillionen bis drei Trilliarden Kilogramm Material in die solare Urwolke verursacht haben, wie die Forscher errechneten.

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Nach Ansicht von Bartos und Marka eröffnen ihre Ergebnisse wertvolle Einblicke in ein folgenreiches und prägendes Ereignis in der Frühgeschichte unserer kosmischen Heimat. „Es wirft neues Licht auf die Prozesse, die die Bildung und Zusammensetzung unseres Sonnensystems beeinflussten“, so die Forscher. „Unsere Arbeit adressiert eine der fundamentalen Fragen der Menschheit: Woher kommen wir und wohin gehen wir?“

Quelle: Imre Bartos (University of Florida, Gainsville) und Szabolcs Marka (Columbia University, New York), Nature, doi: 10.1038/s41586-019-1113-7

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