Nach den Erkenntnissen Stuttgarter Astrophysiker muss das Kapitel über die Entstehung der Elemente in den Sternen und über deren Lebensgeschichte deutlich überarbeitet werden. Einer internationalen Arbeitsgruppe am Institut für Strahlenphysik der Universität Stuttgart (IfS) ist es gelungen, mit verbesserten Messmethoden die beiden "wichtigsten" Kernreaktionen in Sternen neu zu vermessen. Mit der in den Experimenten erreichten Messempfindlichkeit stellten die Stuttgarter sogar einen Weltrekord auf.

In massereichen Sterne (hier ein HST-Bild des Riesensterns Beteigeuze) entstehen die schweren Elemente. Foto: Andrea Dupree (Harvard-Smithsonian CfA), Ronald Gilliland (STScI), NASA und ESA

Bei der ersten der beiden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Untersuchungen handelt es sich um die Fusion von Kohlenstoff mit Helium zu Sauerstoff. Die Stärke dieser Reaktion bestimmt maßgeblich die Häufigkeit und das Verhältnis der Elemente Kohlenstoff und Sauerstoff im Universum und damit auch auf unserem Planeten. Beiden Elementen kommt eine zentrale Rolle bei der Entstehung und der Existenz organischen Lebens zu. Die Fusionsreaktion wirkt sich jedoch auch ganz entscheidend auf die Produktion der schweren Elemente in Sternen aus, da der überwiegende Teil der chemischen Elemente in Sternen über ein sehr komplexes Netzwerk von Kernreaktionen aus den leichtesten Bausteinen Wasserstoff und Helium gebildet wird. Mit anderen Worten: Das "Baumaterial" für die schweren Elemente durchläuft in einer frühen Phase das Kohlenstoff- und Sauerstoffstadium, deshalb betrachtet man diese Reaktion als "die" Schlüsselreaktion der Nukleosynthese.

Bei der zweiten fundamentalen Reaktion, die von der Stuttgarter Arbeitsgruppe untersucht wurde, handelt es sich um die wichtigste neutronenliefernde Reaktion, wie sie in den massereichen Sternen des Universums abläuft. Bei ihr fängt ein Neon-22 Kern einen Heliumkern (Alpha-Teilchen) ein und daraus entsteht das für die weitere Elemententstehung so wichtige Neutron und ein Magnesium-25-Kern. Die Neutronen sind für den Aufbau der schweren Elemente entscheidend, denn als ungeladene Teilchen können sie noch von Kernen schwerer als Eisen (Masse 56) eingefangen werden.

Der Hauptteil der Elemente bis zur Masse 100 wird in den so genannten Roten Riesen erzeugt. Diese Sterne sind in der Regel etwa 15 bis 50 mal schwerer als unsere Sonne und in ihrem Innern herrschen Temperaturen von etwa 200 Millionen Grad. Die extrem hohen Temperaturen blähen die Riesensterne immer weiter auf; unsere Sonne wird in ihrem Endstadium als Roter Riese bis etwa zur Marsbahn reichen. Als Brennstoff haben die Roten Riesen ihren Vorrat an Wasserstoff verbraucht und nur noch Helium zurückbehalten. Die Temperaturen sind nun jedoch so hoch, dass Reaktionen mit Helium einsetzen können, in deren Verlauf auch immer mehr Neutronen für die schweren Elemente erzeugt werden.

Um astrophysikalische Reaktionen wie die Kohlenstoff-Helium-Fusion oder die Neutronenproduktion, innerhalb einer erträglichen Zeitspanne von Wochen oder Monaten messen zu können, obwohl sie doch in den Sternen während Jahrmillionen bis -milliarden ablaufen, braucht man geeignete experimentelle Bedingungen. Trotz der hohen Temperaturen im Sterninnern verlaufen die allermeisten Kernreaktionen sehr langsam, also mit einer sehr kleinen Wahrscheinlichkeit. Und die überhaupt messbare Strahlung der experimentell im Labor erzeugten Reaktionen ist so schwach, dass man sehr viel an Technik aufbieten muss, um sie aus allen Störfaktoren wie der allgegenwärtigen Untergrundstrahlung und der kosmischen Höhenstrahlung herausfiltern zu können.

Die astrophysikalischen Reaktionsraten der Stuttgarter Gruppe, das Endprodukt aller Experimente, Messungen und Interpolationen, unterscheiden sich im Absolutwert von derjenigen anderer Forschungsgruppen. Ganz entscheidend ist jedoch, dass die Fehlergrenzen, also der Bereich der Unsicherheit, bei den neuen Reaktionsraten deutlich reduziert werden konnte. Denn die gesteigerte Empfindlichkeit hat große Auswirkungen auf die Fehlerquote bei der Umsetzung der Daten in die daraus abgeleitete Erklärung der Sternentwicklung. Mit den Stuttgarter Messungen konnte bei der Neon-Reaktion die Unsicherheit von einem unakzeptablen Faktor 500 auf fünf, also um das Hundertfache gesenkt werden. Eine weitere Steigerung wäre nur denkbar, wenn man die Experimente, also die gesamte Laboranlage, einen Kilometer tief unter die Erdoberfläche verlegt, um der störenden Höhenstrahlung zu entgehen. "Die in unseren Messungen gewonnenen neuen Daten werden neue Berechnungen zur Nukleosynthese und zu den Sternmodellen möglich, aber auch erforderlich machen", sagt Dr. Wolfgang Hammer, Leiter der Astrophysik-Arbeitsgruppe am IfS.