Kosmische Kollisionen schmieden Gold

Die schwersten Elemente wie Gold oder Blei entstehen, wenn Neutronensterne zusammenstoßen.

Der Ort, an dem die schwersten chemischen Elemente im Universum wie Blei oder Gold entstehen, dürfte nun gefunden sein: In einer heftigen Kollision verschmelzende Neutronensterne sind die idealen Produktionsstätten. Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Astrophysik in Garching und dem Exzellenzcluster Universe sowie an der Freien Universität Brüssel haben mit detaillierten numerischen Simulationen bestätigt, dass die relevanten Atomkernreaktionen tatsächlich dort ablaufen und dabei die schwersten Elemente in den beobachteten Häufigkeiten erzeugt werden.

Viele schwere chemische Elemente entstehen durch das nukleare Brennen in Sternen. So fusioniert auch im Inneren unserer Sonne ständig Wasserstoff zu Helium und setzt dabei Energie frei. Massereichere Sterne als die Sonne schmieden danach aus Helium schwerere Elemente. Dieser Prozess funktioniert aber nur bis hin zum Eisen. Weil weiterer Energiegewinn in Fusionsreaktionen nicht möglich ist, können noch schwerere Atomkerne so nicht erzeugt werden. Sie bilden sich durch Einfang von ungeladenen Neutronen auf mittelschwere Saatkerne.

Zwei Prozesse spielen hierbei eine besondere Rolle: der langsame und der schnelle Neutroneneinfang. Der langsame Neutroneneinfang oder s-Prozess (vom englischen slow für langsam) läuft bei niedrigen Neutronendichten im Inneren von Sternen in deren späten Entwicklungsstadien ab. Der schnelle r-Prozess (vom englischen rapid für schnell) benötigt sehr hohe Neutronendichten. Die Physiker wissen, dass dieser r-Prozess für die Entstehung eines großen Teils der schwersten Elemente (mit Kernmassenzahlen A > 80) verantwortlich ist, darunter Platin, Gold, Thorium und Plutonium. Allerdings standen die Wissenschaftler vor der Frage, in welchen astrophysikalischen Objekten dieser Prozess ablaufen kann.

„Die Herkunft von etwa der Hälfte der schweren Elemente im Universum war bisher ein ungelöstes Rätsel”, sagt Hans-Thomas Janka, leitender Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Astrophysik und Mitarbeiter im Exzellenzcluster Universe. „Lange dachte man, dass sie in Supernova-Explosionen produziert werden könnten, neuere Modelle gehen aber von dieser Theorie weg.”

Ein anderes mögliches Szenario bieten Neutronensterne, die in einem Doppelsystem am Ende einer Jahrmillionen dauernden Entwicklung in einer gigantischen Kollision miteinander verschmelzen. Neutronensterne sind extrem kompakte Sternleichen, die am Lebensende massereicher Sterne entstehen, wenn der Kern der Sterne kollabiert, während ihre Hülle in einer Supernova-Explosion abstoßen wird. Der dabei gebildete Neutronenstern ist rund eineinhalb Mal so schwer wie unsere Sonne, hat dennoch aber nur einen Durchmesser von 20-30 Kilometern. In einigen Fällen entstehen in einem Doppelsternsystem bei aufeinander folgenden Supernovae zwei Neutronensterne, die umeinander kreisen und dabei Energie verlieren bis sie sich so nahe kommen, dass sie miteinander verschmelzen. Derartige Ereignisse sind nicht sehr häufig. Astronomen schätzen, dass in unserer Milchstraße etwa alle 100 000 Jahre zwei Neutronensterne verschmelzen.

Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Astrophysik haben nun zum ersten Mal zusammen mit einem Kollegen von der Freien Universität Brüssel die Vorgänge, die bei einer derartigen Verschmelzung ablaufen, in allen Schritten im Detail mit Computermodellen berechnet. Sie kombinierten dabei relativistische, hydrodynamische Simulationen des kosmischen Zusammenstoßes mit Berechnungen der Kernreaktionen von über 5000 Atomkernarten - also chemische Elemente und deren Isotope - in der bei der Sternkollision gewaltsam herausgeschleuderten Materie.

„Durch Gezeiten- und Druckkräfte werden innerhalb von tausendstel Sekunden nach der Verschmelzung der Neutronensterne einige Jupitermassen extrem heißer Materie ausgestoßen”, erklärt Andreas Bauswein, der die Simulationen am MPA durchführte. Wenn sich dieses sog. Plasma auf unter zehn Milliarden Grad abgekühlt hat, laufen verschiedene Kernreaktionen ab, unter anderem auch radioaktive Zerfälle, und ermöglichen die Bildung sehr schwerer Elemente. „Die schweren Elemente werden dabei in verschiedenen Reaktionsketten mehrfach prozessiert (`recycelt'), wobei Zerfallprozesse, die zur Spaltung superschwerer Nuklide führen, eine entscheidende Rolle spielen. Dadurch hängt die endgültige Häufigkeitsverteilung der entstandenen Elemente nur wenig von den Ausgangsbedingungen des Modells ab”, fügt Stephane Goriely hinzu, der Wissenschaftler der Freien Universität Brüssel und nukleare Astrophysiker des Teams.

Dies passt gut zur bereits länger gehegten Vermutung, dass nur die Reaktionseigenschaften der beteiligten Atomkerne ausschlaggebend für die produzierte Elementverteilung sein sollten und nicht die Ausgangsbedingungen des Systems, wie die Masse der beteiligten Neutronensterne. Nur so lässt sich verstehen, warum in allen untersuchten Sternen wie auch im Sonnensystem nahezu identische relative Häufigkeiten der schweren r-Prozess-Elemente beobachtet werden.

Die Simulationen zeigten, dass die Häufigkeitsverteilung der schwersten Elemente (mit Massenzahlen A > 140) sehr gut mit der in unserem Sonnensystem beobachteten übereinstimmt. Kombiniert man das Ergebnis der Modellrechnungen mit der geschätzten Zahl von Neutronensternkollisionen, die in der Milchstraße stattgefunden haben, so bestätigt sich, dass solche Ereignisse tatsächlich die Hauptquellen der schwersten chemischen Elemente im Universum sein können.

Um die theoretischen Vorhersagen weiter zu verfeinern, sind neue Studien geplant, sowohl zusätzliche Computersimulationen, die die physikalischen Prozesse noch genauer nachbilden, als auch Beobachtungskampagnen, um die frisch erzeugten schweren Elemente zum ersten Mal direkt am Ort ihres Entstehens nachzuweisen. Durch den radioaktiven Zerfall der superschweren Atomkerne wird das ausgeschleuderte Material nämlich stark geheizt und erstrahlt dadurch fast so hell wie eine Supernova-Explosion eines Sterns, wenngleich nur für wenige Tage. Astronomen suchen bereits fieberhaft nach derartigen Ereignissen.

Ionenaustausch

"Im Boden finden viele chemische Vorgänge statt, die in hohem Maße an der Ernährung der Pflanzen beteiligt sind. Die meisten dieser Vorgänge vollziehen sich in der Bodenlösung, wie man das Bodenwasser nennt, in dem Salze, Säuren, Basen und feste Bodenteilchen enthalten sind.

Die feinsten, abschlämmbaren Teilchen des Bodens mit einer Korngröße von weniger als 0,001 mm nennt man Kolloide (kolloidal = feinzerteilt). Bodenkolloide sind keine chemisch einheitlichen oder eindeutig bestimmbaren Stoffe. Fűr ihre Einordnung als Kolloide ist ihre Teilchengröße entscheidend.

Fűr den Boden haben die Kolloide große Bedeutung, denn sie sind besonders reaktionsfähig. Sie verleihen dem Boden die Bindigkeit, schätzen die Nährstoffe vor Auswaschungen und verbessern die Wasserkapazität und die Wasserführung im Boden. Da sie meist quellbar sind, können sie je nach Wassergehalt ihr Volumen verändern.

Die wichtigsten Bodenkolloide sind Ton und Humus. Bei Anwesenheit von Kalzium-Ionen entstehen Ton-Humus-Komplexe. Sie haben hohe Sorptionskapazität (Festhaltevermögen). An ihnen vollziehen sich Basenaustauschvorgänge (Austausch der Nährstoffe)."

(Geographie)