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Astronomie+Physik

Neutronenstern-Kollision schuf Strontium

Neutronenstern-KOllision
Diese Illustration zeigt zwei Neutronensterne bei der Verschmelzung (Bild: University of Warwick/Mark Garlick/ESO)

Die Kollision zweier Neutronensterne bringt nicht nur die Raumzeit zum Beben – die enorme Energie und neutronenreiche Umgebung erzeugt auch neue, schwere Elemente. Jetzt ist es Astronomen erstmals gelungen, diesen Prozess am Beispiel eines konkreten Elements nachzuweisen: Ihre Spektralanalysen belegen die Bildung des schweren Elements Strontium bei einer Neutronensternkollision im Jahr 2017. Dies bestätigt die Theorie, nach der solche kosmischen Katastrophen die „Fabriken“ für schwere Elemente wie Strontium, Gold, Blei oder auch Uran sein können.

Die meisten Elemente unseres Periodensystems gab es direkt nach dem Urknall noch nicht. Nur Wasserstoff und kleinere Mengen Helium und Lithium erfüllten schon damals den Kosmos. Erst, als Sterne entstanden und durch die Kernfusion in ihrem Inneren Atome miteinander verschmolzen, bildeten sich auch die ersten schwereren Elemente. Um jedoch Atomkerne zu erzeugen, die schwerer sind als Eisen, reicht die Kernfusion nicht aus. Gängiger Theorie nach werden solche Elemente stattdessen durch den Neutroneneinfang gebildet, bei dem sich nach und nach einzelne Neutronen an bestehende Atomkerne anlagern. Durch radioaktiven Zerfall wandeln sich einige dieser Neutronen dann in Protonen um und erzeugen so ein neues Element. Eine langsame Variante dieses Prozesses, der sogenannte s-Prozess findet in Roten Riesen statt. Doch er kann nach bisherigem Wissenstand nur Atome bis etwa zum Bismut erzeugen – für noch schwerere Kerne sind Neutronendichte und Temperaturen in diesen Riesensternen nicht ausreichend.

Wo findet der r-Prozess statt?

Demzufolge müssen Schwermetalle wie Platin, Gold, Uran oder Plutonium auf anderem Wege entstanden sein. Nach gängiger Theorie ist dafür eine schnelle Variante des Neutroneneinfangs verantwortlich, der sogenannte r-Prozess. Bei diesem ist die Neutronendichte so hoch, dass pro Sekunde mehr als 1022 Neutronen durch eine Fläche von einem Quadratzentimeter strömen. Sie lagern sich dadurch schneller an bestehende Atomkerne an, als diese wieder zerfallen können. Das ermöglicht die Bildung auch der sehr schweren Elemente – so die Theorie. Strittig war bisher allerdings, wo im Kosmos die geeigneten Bedingungen für diesen r-Prozess herrschen. „Dies ist die letzte Phase einer jahrzehntelangen Suche, um den Ursprung der Elemente zu ermitteln“, erklärt Erstautor Darach Watson von der Universität Kopenhagen. „Denn bis jetzt wussten wir nicht, wo der letzte, unentdeckte Prozess stattfand, der als schneller Neutroneneinfang bekannt ist und der die schwereren Elemente im Periodensystem erzeugt.“

Einige Forscher vermuten die Elementerzeugung durch den r-Prozess in Supernovae, andere dagegen in der Kollision und Verschmelzung von Neutronensternen. Doch bis vor zwei Jahren hatten Astronomen noch nie eine solche Kollision der Sternenreste beobachtet, eine Bestätigung der Annahmen war daher nicht möglich. Im August 2017 jedoch änderte sich dies: Mithilfe der Gravitationswellendetektoren LIGO und Virgo konnten Wissenschaftler damals zum ersten Mal die Verschmelzung zweier Neutronensterne nachweisen. Durch Beobachtung mit Teleskopen in aller Welt gelang es zudem, auch die bei diesem Ereignis freiwerdende Strahlung einzufangen – einen abrupt aufleuchtenden und dann allmählich schwächer werdenden Strahlenausbruch in fast allen Wellenlängen. Diese Kilonova bot Watson und seinem Team die Chance, gezielt nach Hinweisen auf die Bildung neuer Elemente in dieser Kollision zu suchen.

„Frisches“ Strontium im Kilonova-Spektrum

Für ihre Studie werteten die Forscher Daten aus, die der X-Shooter-Spektrograf am Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte (ESO) in Chile bei der Neutronensternkollision aufgezeichnet hatte. Schon die erste Analyse dieser Spektren hatte auf das Vorhandensein schwerer Elemente in der Kilonova hingedeutet, aber die Astronomen konnten noch keine einzelnen Elemente identifizieren. „Durch die Neuanalyse der im Jahr 2017 gewonnenen Daten des Ereignisses haben wir nun die Signatur eines schweren Elements in diesem Feuerball identifiziert, berichtet Watson. Möglich wurde dies durch Modellsimulationen, die die Spektren verschiedener Szenarien rekonstruierten. Es stellte sich heraus, dass einzig das Element Strontium, erzeugt durch den r-Prozess, die Positionen und die Stärke der Absorptionen in den Spektren erklären kann.

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„Damit haben wir bewiesen, dass die Kollision von Neutronensternen dieses Element im Universum erzeugt“, sagt Watson. Auf der Erde kommt Strontium natürlich im Boden vor und ist in bestimmten Mineralien konzentriert. Seine Salze werden unter anderem verwendet, um dem Feuerwerk eine leuchtend rote Farbe zu verleihen. Der Nachweis „frischen“ Strontiums bei der Neutronensternkollision bestätigt nun, dass dieses und damit wahrscheinlich auch weitere schwerer Elemente bei diesen Ereignissen entstehen. Damit könnte die Wissenschaftler das lange fehlende Puzzleteil bei der Entschlüsselung der chemischen Elementbildung gefunden haben.

Quelle: Darach Watson (University of Copenhagen) et al., Nature, doi: 10.1038/s41586-019-1676-3

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