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Neues Rätsel um Ursprung des Goldes

Neutronenstern-Kollisionen allein können die Entstehung schwerer Elemente nicht erklären

Neutronenstern-Kollision
Gängiger Annahme nach wurden Gold und andere schwere Elemente bei der Kollision von Neutronensternen gebildet – aber offenbar nicht alles. © University of Warwick/ Mark Garlick

Mysteriöser Ursprung: Wie sind Gold und andere schwere Elemente entstanden? Eine neue Bilanz der Nukleosynthese im Kosmos gibt darauf eine überraschende Antwort. Denn entgegen gängiger Theorie können Supernovae und Neutronenstern-Kollisionen diese Elemente nicht allein erschaffen haben – die resultierende Goldmenge im Universum wäre um das Fünffache zu niedrig. Es muss daher noch andere Prozesse geben, bei denen die nötigen Reaktionen ablaufen – aber welche?

Nach dem Urknall gab es im Kosmos nur Wasserstoff und ein wenig Helium und Lithium – die meisten anderen Elemente wurden in Sternen oder bei ihren Supernovae gebildet. Doch für Atome schwerer als Eisen reicht dies nicht, sie können nur durch den Neutroneneinfang wachsen. Dabei lagern sich freie Neutronen an das Atom an, bis der Kern zerfällt und einige von ihnen zu Protonen werden.

Die langsame Variante dieser Reaktion, der sogenannte s-Prozess, findet primär in Roten Riesen statt, kann aber nur Elemente bis zur Masse von Bismut erzeugen. Noch schwerere Atome wie Silber, Gold oder Platin beruhen auf einer energiereicheren, schnelleren Version des Neutroneneinfangs, dem r-Prozess.

Periodensystem
Periodensystem der Elemente bis Uran mit ihren Bildungsprozessen. © Chiaki Kobayashi et al/ Sahm Keily

Neutronensterne als kosmische Gold-Fabriken?

Doch in welchen kosmischen Prozessen dieser r-Prozess stattfindet, ist strittig – in der Diskussion sind exotische Supernovae, aber auch Neutronenstern-Kollisionen. Dass bei letzteren tatsächlich Gold, Strontium und Co gebildet werden, belegte 2017 der erste Nachweis einer solchen Kollision. 2019 dann bestätigte eine weitere Studie die Rolle der Neutronensterne als „Elementfabriken“ – der kosmische Urheber des r-Prozesses schien gefunden.

Jetzt jedoch weckt eine neue Bilanz der galaktischen Nukleosynthese Zweifel an diesem Bild. Chiaki Kobayashi von der University of Hertfordshire und seine Kollegen haben in ihrem Modell die Bildung aller Elemente des Periodensystems überprüft und dabei auch ermittelt, ob die zugrundeliegenden Prozesse die heute beobachtbaren Mengen dieser Atome erklären können. „Das erlaubt es uns, den Ursprung der Elemente in zeitlichem und räumlichen Kontext zu sehen“, so die Forscher.

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Fünfmal mehr Gold als durch Kollisionen erklärbar

Das überraschende Ergebnis: Für die meisten Elemente stimmen die gängigen Modelle zwar mit den Beobachtungen überein – Supernovae und andere explosive Prozesse im Kosmos haben seit dem Urknall genug von ihnen produziert. Für Gold und andere schwere Elementen gilt dies aber nicht: Von ihnen gibt es im heutigen Kosmos mehr als allein durch Supernovae und Neutronenstern-Kollisionen entstanden sein können. „Das war wirklich eine Überraschung“, sagt Koautorin Amanda Karakas von der Monash University.

Gold beispielsweise kommt heute fünfmal häufiger in unserer Galaxie vor als den Modellen nach möglich. Ähnliches gilt für andere r-Prozess-Elemente. „Es gibt einfach nicht genug Neutronenstern-Kollisionen, um die heutige Menge dieser Elemente zu produzieren“, sagen die Wissenschaftler. Zudem dauert es sehr lange, bis ein Stern zum Neutronenstern wird und dann noch kollidiert. Das weckt die Frage, woher das viele Gold schon im frühen Universum kam.

„Es ist schlicht nicht möglich, die Evolution der r-Prozess-Elemente allein durch Neutronenstern-Verschmelzungen zu erklären“, konstatieren Kobayashi und sein Team. „Denn die Kollisionsraten sind zu gering und die Zeitintervalle zu groß.“

Liefern Hypernovae die Erklärung?

Damit scheint der Ursprung der schwersten Elemente erneut rätselhaft, denn zumindest zum Teil müssen diese Elemente durch einen anderen Prozess als die Neutronenstern-Kollision entstanden sein. Aber durch welchen? Immerhin werden enorme Energien benötigt, um den schnellen Neutroneneinfang zu ermöglichen.

Eine unter Astrophysikern diskutierte Möglichkeit wären exotische, besonders starke Supernovae. Bei diesen Hypernovae kollabiert der Kern sehr massereicher, schnell rotierender und stark magnetischer Sterne und setzt dabei weit größere Energien frei als bei einer normalen Sternexplosion. Einige dieser Mega-Explosionen haben Astronomen bereits im Kosmos beobachtet. Welche Elemente bei diesen Hypernova freiwerden, ist allerdings ungeklärt. Das Rätsel um Gold und Co bleibt damit vorerst bestehen. (Astrophysical Journal, 2020; doi: 10.3847/1538-4357/abae65)

Quelle: ARC Centre of Excellence for All Sky Astrophysics in 3D (ASTRO 3D)

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