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ELEMENTSYNTHESE
Elemententstehung um Neutronensterne
Redaktion / idw / Pressemitteilung des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung GmbH
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16. November 2021

Die schwersten Elemente im Universum entstehen bei extremen Prozessen, wie etwa der Kollision von Neutronensternen oder in Supernova-Explosionen. Wie genau dabei aber Elemente wie Gold oder Uran entstehen, ist noch nicht verstanden. Neue Simulationen zeigen nun, dass Akkretionsscheiben um kollidierende Neutronensterne eine wichtige Rolle spielen könnten.

Akkretionsscheibe

Künstlerische Darstellung einer heißen und dichten Akkretionsscheibe um ein Schwarzes Loch, die eine reichhaltige Produktionsstätte an schweren Elementen sein kann. Bild: National Radio Astronomy Observatory [Großansicht]

Wie werden chemische Elemente in unserem Universum produziert? Woher kommen insbesondere schwere Elemente wie Gold oder Uran? Mithilfe von Computersimulationen zeigte ein Forschungsteam des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung in Darmstadt nun gemeinsam mit Kollegen aus Belgien und Japan, dass die Synthese von schweren Elementen typisch ist für bestimmte sogenannte Akkretionsscheiben – das sind scheibenförmige Materieansammlungen, die Schwarze Löcher umkreisen. Die vorhergesagte Häufigkeitsverteilung der gebildeten Elemente gibt Aufschluss darüber, welche schweren Elemente in zukünftigen Labors wie der im Bau befindlichen Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) untersucht werden müssen, um den Ursprung der schweren Elemente zu enträtseln.

Alle heute auf der Erde existierenden schweren Elemente wurden unter extremen Bedingungen in astrophysikalischen Umgebungen gebildet: im Inneren von Sternen, in Sternexplosionen, sowie während der Kollision von Neutronensternen. Forschende beschäftigt die Frage, in welchem dieser astrophysikalischen Ereignisse die geeigneten Bedingungen zur Bildung der schwersten Elemente wie Gold oder Uran vorhanden sind.

Die spektakuläre erste Beobachtung von Gravitationswellen und elektromagnetischer Strahlung einer Neutronensternverschmelzung im Jahr 2017 deutete darauf hin, dass viele schwere Elemente in diesen kosmischen Kollisionen erzeugt und freigesetzt werden können. Offen bleibt jedoch die Frage, wann und warum das Material herausgeschleudert wird und ob es womöglich noch andere Ereignisse gibt, in denen schwere Elemente produziert werden können.

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Aussichtsreiche Kandidaten für die Produktion von schweren Elementen sind Schwarze Löcher, die von einer Akkretionsscheibe aus dichter und heißer Materie umkreist werden. Ein solches System entsteht sowohl nach der Verschmelzung zweier massiver Neutronensterne als auch während eines sogenannten Kollapsars, dem Kollaps und der anschließenden Explosion eines rotierenden Sternes. Die interne Zusammensetzung solcher Akkretionsscheiben war bisher weitestgehend unverstanden, insbesondere was die Bedingungen angeht, unter denen sich ein Überschuss an Neutronen bildet. Eine hohe Anzahl an Neutronen ist eine Grundvoraussetzung für die Synthese schwerer Elemente, da sie den schnellen Neutroneneinfang (rapid neutron-capture process bzw. r-Prozess) ermöglicht.

Eine Schlüsselrolle spielen dabei die nahezu masselosen Neutrinos, da sie eine Umwandlung zwischen Protonen und Neutronen ermöglichen: "Wir haben in unserer Studie erstmals mittels aufwändiger Computersimulationen systematisch die Umwandlungsraten von Neutronen und Protonen für eine große Zahl an Scheibenkonfigurationen untersucht und dabei gefunden, dass die Scheiben sehr reich an Neutronen sind, solange bestimmte Bedingungen erfüllt sind", erklärt Dr. Oliver Just aus der Gruppe "Relativistische Astrophysik" der GSI-Forschungsabteilung "Theorie".

"Maßgeblich ist die Gesamtmasse der Scheibe. Je massereicher die Scheibe, desto öfter werden Neutronen aus Protonen durch Einfang von Elektronen und unter Abstrahlung von Neutrinos gebildet und stehen somit zur Synthese schwerer Elemente mittels r-Prozess zur Verfügung. Bei zu hohen Scheibenmassen spielt die entgegengesetzte Reaktion eine erhöhte Rolle, das heißt, es werden wieder mehr Neutrinos von Neutronen eingefangen, bevor sie die Scheibe verlassen. Diese Neutronen wandeln sich zurück in Protonen um, was den r-Prozess behindert," so Just weiter.

Wie die Studie zeigt, liegt die optimale Scheibenmasse für eine ergiebige Produktion an schweren Elementen bei etwa 0,01 bis 0,1 Sonnenmassen. Das Ergebnis liefert ein starkes Indiz, dass Neutronensternverschmelzungen, die Akkretionsscheiben mit genau diesen Massen erzeugen, der Ursprungsort eines großen Anteils der schweren Elemente sein könnten. Ob und wie häufig entsprechende Akkretionsscheiben in Kollapsar-Systemen vorkommen, ist allerdings derzeit noch unklar.

Neben den möglichen Prozessen des Massenauswurfs werden in der Forschungsgruppe rund um Privatdozent Dr. Andreas Bauswein auch die von der ausgestoßenen Materie erzeugten Lichtsignale erforscht, mithilfe derer man in zukünftigen Beobachtungen kollidierender Neutronensterne auf die Masse und Zusammensetzung der ausgestoßenen Materie rückschließen möchte. Ein wichtiger Baustein für das korrekte Auslesen dieser Lichtsignale ist die genaue Kenntnis der Massen und anderer Eigenschaften der neu gebildeten Elemente.

"Diese Daten sind derzeit nur unzureichend vorhanden. Aber mit der nächsten Generation von Beschleunigern, beispielsweise mit FAIR, werden sie in Zukunft mit bisher unerreichter Genauigkeit gemessen werden können. Das gut koordinierte Zusammenspiel von theoretischen Modellen, Experimenten und astronomischen Beobachtungen wird uns Forschenden in den nächsten Jahren ermöglichen, Neutronensternverschmelzungen als Ursprung der r-Prozess-Elemente zu testen", prognostiziert Bauswein.

Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Monthly Notices of the Royal Astronomical Society veröffentlicht.

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siehe auch
Elemententstehung: Europium-Sterne in der Zwerggalaxie Fornax - 21. Mai 2021
Nukleosynthese: Der Elemententstehung auf der Spur - 30. März 2016
Nukleosynthese: Cadmiumisotope in der Falle - 14. Dezember 2015
Simulationen: Entstehung schwerer Elemente im Computer - 10. Dezember 2015
Links im WWW
Just, O. et al. (2022): Neutrino absorption and other physics dependencies in neutrino-cooled black hole accretion discs, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 509, 1377 (arXiv.org-Preprint)
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