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Elementsynthese Elementsynthese der Sterne im Labor

Redakteur: Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Wie ist das Leben entstanden? Eine Voraussetzung war die Synthese zahlreicher chemischer Elemente im Inneren von Sternen. Am Teilchenbescheuniger Cern habe nun österreichischen Wissenschaftler Kernreaktionen von Sternen erfolgreich gemessen: Die Ergebnisse helfen bei der Berechnung der noch nicht vollständig geklärten Elementsynthese in Sternen.

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Der Krebsnebel ist der Überrest einer Supernova-Explosion eines schweren Sterns und ist mit Elementen, die im Vorgängerstern und der Supernova erzeugt wurden, angereichert.
Der Krebsnebel ist der Überrest einer Supernova-Explosion eines schweren Sterns und ist mit Elementen, die im Vorgängerstern und der Supernova erzeugt wurden, angereichert.
(Bild: NASA)

Wien/Österreich – Alle Elemente ab Kohlenstoff – d.h. von Kohlenstoff bis zu den schwersten Elementen –, die sich in unserem Universum finden, sind durch Kernreaktionen im Sterninneren entstanden. „Die uns bekannten lebenden Organismen würden ansonsten gar nicht existieren“, erklärt die Physikerin und Doktorandin der Universität Wien Claudia Lederer. Solche Prozesse finden im Universum permanent statt – ihre grundlegenden Mechanismen sind der Wissenschaft schon seit einigen Jahrzehnten bekannt. Trotzdem gibt es noch viele offene Fragen: In welchen astrophysikalischen Szenarien findet welche Elementsynthese statt? Woher stammen – und wie entstehen – die schweren Elemente in Supernova-Explosionen?

Radioaktive Isotope als Unsicherheitsfaktoren

Massereiche Sterne lassen die Elemente Nickel, Kobalt und Zink – im Verlauf eines Sternenlebens, aber auch während einer finalen Supernova-Explosion – entstehen. „Die Häufigkeitsverteilung der Elemente, die das interstellare Medium kontinuierlich anreichern, hängt stark von den einzelnen Kernreaktionsraten ab, welche oft mit großen Unsicherheiten einhergehen – vor allem wenn radioaktive Isotope beteiligt sind“, erklärt die Jungwissenschafterin.

Als Doktorandin in der Gruppe Isotopenforschung der Universität Wien kam ihr die Idee zu einem Experiment, um diesen Unsicherheitsfaktoren auf den Grund zu gehen. Als Leiterin einer internationalen Kooperation am Cern konnte sie die Idee umsetzen und ihr gelang die erstmalige erfolgreiche Messung der Reaktion des radioaktiven Isotops 63Ni unter Neutronen-Beschuss. Die Forschungsergebnisse der Jungwissenschaftlerin, die nach ihrem Doktorat an der Universität Wien nun an der Goethe Universität Frankfurt forscht, stellen einen wesentlichen Baustein in Modellen zur Berechnung der Elementsynthese in Sternen dar.

Simulation von Sterninneren auf der Erde

„Wir haben denselben Prozess, wie er in Sternen stattfindet, im Labor simuliert: Es hat sich gezeigt, dass die Reaktion an Nickel die Häufigkeitsverteilung anderer schwerer Elemente wesentlich beeinflusst“, so Lederer zum zentralen Ergebnis ihrer Forschungsarbeit. Die Kernreaktionen an 63Ni haben die Wissenschaftler mit speziell für solche Messungen optimierten Detektoren nachgewiesen. Für das Experiment hat Lederer gemeinsam mit ihrer Gruppe Neutronenstrahlen mit hoher Intensität erzeugt. „Für den Erfolg des Experiments waren diese hohen Intensitäten entscheidend, da uns nur kleine Mengen des weltweit einzigartigen Probenmaterials zur Verfügung standen“, erklärt die Physikerin abschließend.

Originalpublikation: „Neutron Capture Cross Section of Unstable 63Ni: Implications for Stellar Nucleosynthesis“, C. Lederer et al., Physical Review Letters 110, 022501 (2013).

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