Sonnenmodell bestätigt Zweiter Fusionszyklus der Sonne nachgewiesen

Seit den 1930ern wissen Astronomen, wie die Sonne aus Kernfusion ihre Energie gewinnt. Doch erst jetzt haben Forscher den letzten Teil dieser Vorgänge auch experimentell nachgewiesen. Mithilfe des unterirdischen Borexino-Detektors in Italien haben sie nun das Sonnenmodell bestätigt und neue Daten zur Zusammensetzung der Sterne erhalten.

Gran Sasso/Italien, Garching – Die Sonne ist ein gigantischer Kernfusionsreaktor; sie gewinnt ihre Energie durch die Verschmelzung von Wasserstoff zu Helium. Dies geschieht auf zwei Arten: Der größte Teil, etwa 99 Prozent der Energie, entstammt einem Prozess von Fusionen und Zerfällen, der mit zwei Wasserstoffkernen beginnt und mit einem Heliumkern endet. Experten sprechen von der so genannten Proton-Proton- oder pp-Kette.

Den Rest der Energie trägt ein Zyklus bei, bei dem sich insgesamt vier Wasserstoffkerne schließlich zu einem Heliumkern verbinden, mithilfe von Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff als Katalysatoren und Zwischenprodukte. Bei Sternen größer als unsere Sonne stammt der überwiegende Teil der Energie aus diesem zweiten Prozess, der aufgrund der Beteiligung von Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff CNO-Prozess genannt wird (Carbon-Nitrogen-Oxygen).

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Fast 90 Jahre bekannt, aber jetzt erst bewiesen

Dieser zweite Zyklus war in den 1930er Jahren von den Physikern Hans Bethe und Carl Friedrich von Weizsäcker unabhängig voneinander als Energielieferant der Sonne postuliert worden, konnte bislang jedoch nicht experimentell bestätigt werden.

Nun ist es den Physikern des Experiments Borexino erstmals gelungen, diesen Zyklus mithilfe der im dortigen Untergrundlabor produzierten Neutrinos nachzuweisen. Vor einigen Jahren hatte das Team des Borexino-Experiments im italienischen Gran Sasso bereits erstmals eine Gesamtuntersuchung der Fusionsprozesse der pp-Kette mittels ihrer Neutrinos vorgestellt. Maßgeblich beteiligt waren an beiden Messungen Wissenschaftler des Physik-Departments der Technischen Universität München (TUM).

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Die Neutrinos des CNO-Zyklus waren aufgrund ihrer Energieverteilung schwer von denen zu unterscheiden, die beim radioaktiven Zerfall winziger Spuren anderer Elemente erzeugt werden. Vor allem Bismut-210 aus Spurenverunreinigungen auf der Oberfläche der Detektorwand verdeckte bisher die Signale des CNO-Zyklus.

Aufgrund von Konvektionsbewegungen gelangten diese Verunreinigungen in die Detektorflüssigkeit. Um die Störung zu beseitigen, musste die Konvektion im Inneren des Borexino-Detektors zum Stillstand gebracht werden, was technisch extrem aufwändig war. „Ich habe es lange für nicht möglich gehalten, dass diese Messung erfolgreich sein würde“, sagt Stefan Schönert, Professor für experimentelle Astroteilchenphysik an der TU München. „Nach sechsjähriger Anstrengung gelang uns dies nun, sodass wir das CNO-Neutrino-Signal jetzt erstmals nachweisen konnten.“

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Mit der Sonne die Sterne verstehen

Die Ergebnisse bestätigen nun nicht nur die theoretischen Vorhersagen über die beiden Fusionsprozesse der Sonne, sondern geben auch einen Hinweis auf die Metallizität der Sonne, also die Konzentration der Kerne, die schwerer als Wasserstoff und Helium sind. Verschiedene astrophysikalische Untersuchungsmethoden kamen in den vergangenen Jahren zu unterschiedlichen Resultaten. „Die neuen Borexino-Ergebnisse unterstützen den TUM-Forscher zufolge die Beobachtungen mit höheren Metallizitätswerten.

Wichtig ist dies vor allem im Hinblick auf wesentliche Eigenschaften von Sternen wie ihre Größe, Temperatur, Helligkeit und Lebensdauer, die von der Metallizität bestimmt werden. Die chemische Zusammensetzung der Sonne zu verstehen, ist daher grundlegend für das Verständnis der Eigenschaften aller Sterne.

Originalpublikation: The Borexino Collaboration: Experimental evidence of neutrinos produced in the CNO fusion cycle in the Sun, Nature, 587, 577–582 (2020) – DOI: 10.1038/s41586-020-2934-0

* P. Riedel, Technische Universität München, 85748 Garching b. München

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