Neutronenstern-Kollision als Elementfabrik - Erster Nachweis des schnellen Neutroneneinfangs in einer Sternverschmelzung - scinexx.de
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Neutronenstern-Kollision als Elementfabrik

Erster Nachweis des schnellen Neutroneneinfangs in einer Sternverschmelzung

Nukleosynthese
Schwere Elemente wie Strontium entstehen in Neutronenstern-Kollisionen, dies haben Astronomen jetzt nachgewiesen. © ESO /L. Calçada, M. Kornmesser

Kosmische Atomschmiede: Die schwersten Elemente des Kosmos entstehen bei Neutronenstern-Kollisionen – das haben Astronomen jetzt erstmals nachgewiesen. Ihre Spektralanalysen belegen die Bildung des Elements Strontium bei einem solchen Ereignis im Jahr 2017, wie sie im Fachmagazin „Nature“ berichten. Damit könnte der lange gesuchte Ort dieses sogenannten schnellen Neutroneneinfangs endlich gefunden sein.

Direkt nach dem Urknall gab es im Kosmos nur die Elemente Wasserstoff, Helium und Lithium. Ein Großteil der restlichen Elemente entstand erst durch Kernfusion im Inneren der ersten Sterne. Doch ab Atomen von der Größe des Eisens reicht die Fusion nicht mehr aus – sie können nur durch den sogenannten Neutroneneinfang weiterwachsen. Dabei lagern sich freie Neutronen an das Atom an und zerfallen dann teilweise in Protonen, wodurch ein neues Element entsteht. Eine langsame Variante dieses Einfangs, der sogenannte s-Prozess, findet in Roten Riesen statt.

r-Prozess
Ablauf des r-Prozesses. Neutronen lagern sich an bestehende Atomkerne an. Einige von ihnen zerfallen dann zu Protonen und geben dabei jeweils ein Elektron und ein Antineutrino ab. Das Ergebnis ist ein neues Element. © Müllerthann/ MPIA

Rätsel um den r-Prozess

Das Problem jedoch: Der s-Prozess kann nur Atome bis etwa zum Bismut erzeugen. Für noch schwerere Elemente wie Gold, Platin oder Uran reichen Neutronendichte und Temperaturen in den Roten Riesen nicht aus. Stattdessen benötigt man eine energiereichere, schnellere Variante des Neutroneneinfangs – den r-Prozess. Bei diesem strömen pro Sekunde mehr als 10<sup>22</sup> Neutronen durch einen Quadratzentimeter. Sie lagern sich dadurch schneller an Atomkerne an, als diese zerfallen können. Das ermöglicht die Bildung auch sehr schwerer Elemente – so die Theorie.

Doch wo findet dieser r-Prozess statt? Die Antwort darauf war lange strittig. Denn einige Forscher vermuteten geeignete Bedingungen in Supernovae, andere dagegen in der Kollision und Verschmelzung von Neutronensternen. Tatsächlich lieferten Simulationen erste Anhaltspunkte für Letzteres. Doch es fehlte der Beweis.

Fahndung in den Kollisions-Spektren

Bis jetzt. Denn nun ist es Astronomen um Darach Watson von der Universität Kopenhagen endlich gelungen, die lange gesuchten Elementschmieden des Kosmos aufzuspüren. Möglich wurde dies durch den ersten Nachweis einer Neutronenstern-Kollision im Sommer 2017. Die Detektoren LIGO und Virgo registrierten die dabei erzeugten Gravitationswellen und Teleskope weltweit zeichneten die begleitenden Strahlenausbrüche auf. Unter ihnen war auch der X-Shooter-Spektrograf am Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte (ESO) in Chile.

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Schon die ersten Analysen der Spektraldaten sprachen dafür, dass bei dieser Verschmelzung der Neutronensterne neue, schwere Elemente wie Silber, Gold und Platin entstanden sein könnten. Doch ein gesicherter Nachweis stand noch aus. Das haben nun Watson und sein Team nachgeholt. Möglich wurde dies, weil sie Modellsimulationen nutzten, um mögliche Prozesse hinter den gemessenen Spektren zu rekonstruieren.

„Frisches“ Strontium nachgewiesen

Das Ergebnis: „Durch die Neuanalyse der im Jahr 2017 gewonnenen Daten des Ereignisses haben wir die Signatur eines schweren Elements in diesem Feuerball identifiziert“, berichtet Watson. Demnach konnte nur die Bildung von Strontium durch den r-Prozess die Merkmale der Spektren erklären. „Damit haben wir bewiesen, dass die Kollision von Neutronensternen dieses Element im Universum erzeugt“, sagt Watson.

Der Nachweis „frischen“ Strontiums bei der Neutronenstern-Kollision bestätigt zugleich, dass der r-Prozess des schnellen Neutroneneinfangs bei solchen Ereignissen stattfindet. Damit könnte die Wissenschaftler das lange fehlende Puzzleteil bei der Entschlüsselung der chemischen Elementbildung gefunden haben. „Dies ist die letzte Phase einer jahrzehntelangen Suche, um den Ursprung der Elemente zu ermitteln“, sagt Watson. (Nature, 2019; doi: 10.1038/s41586-019-1676-3)

So entstehen die schwersten Elemente.© ESO

Quelle: European Southern Observatory (ESO), Max-Planck-Institut für Astronomie

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