Quelle: Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf 11. Oktober 2023.

11. Oktober 2023 – Die nukleare Astrophysik untersucht die Entstehung der Elemente im Universum seit Anbeginn der Zeit. Ihre Modelle verwenden Parameter, die die Forschenden aus Messdaten gewinnen. Eine wichtige Rolle spielen dabei Kernreaktionen, die im Inneren der Sterne ablaufen. Ein Team des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) hat nun gemeinsam mit Forschenden aus Italien, Ungarn und Schottland am Dresdner Felsenkeller- Beschleuniger erneut eine der zentralen Reaktionen untersucht – mit einem überraschenden Ergebnis, wie sie im Fachmagazin Physical Review C (DOI: 10.1103/PhysRevC.107.L062801) berichten.

„Wir haben eine altbekannte Kernreaktion unter die Lupe genommen, die für die Elemententstehung in massereichen Sternen bedeutsam und darüber hinaus eine der frühesten ist, die im Labor mit Beschleunigern untersucht wurde: Die Kollision eines Wasserstoffkerns mit einem Kohlenstoffkern, in deren Folge das Isotop Stickstoff-13 entsteht und Gammastrahlung freigesetzt wird. Sie ist der erste Schritt des sogenannten CNO-Zyklus, auch als Bethe-Weizsäcker-Zyklus bekannt. Wir waren vor allem am Wirkungsquerschnitt dieser Reaktion interessiert, der Auskunft über die Wahrscheinlichkeit ihres Auftretens gibt“, sagt Prof. Daniel Bemmerer vom HZDR-Institut für Strahlenphysik.

Diesen Parameter hat ein Team aus italienischen, ungarischen, schottischen und deutschen Wissenschaftler*innen im Untertagelabor Felsenkeller nun mit bisher beispielloser Präzision bestimmt. Das überraschende Ergebnis: der bisher akzeptierte Wert muss um rund 25 Prozent nach unten korrigiert werden. Das Ergebnis legt nahe, dass das Einbrennen des CNO-Zyklus länger gedauert hat als bisher gedacht und die Emission solarer 13N-Neutrinos im Mittel näher am Zentrum der Sonne stattfindet als vermutet. Die neuen Daten erlauben zudem genauere theoretische Vorhersagen für das Verhältnis der Kohlenstoff-Isotope 12C/13C in Sternen, die wiederum helfen, Modelle für die Vorgänge in deren Innerem zu überprüfen und zu verbessern.

Die Sonne ins Labor holen – en miniature
Sterne beziehen ihre Energie aus der Fusion von Wasserstoff zu Helium. In Abhängigkeit der Masse des Himmelskörpers sind dafür unterschiedliche Prozesse bekannt. So läuft in massearmen Sternen wie unserer Sonne vor allem die sogenannte Proton-Proton-Kette ab. In massereichen Sternen pressen die starken Gravitationskräfte die Wasserstoffkerne jedoch so sehr zusammen, dass hier deutlich höhere Temperaturen herrschen. Dadurch können die Wasserstoffkerne zusätzlich mit Kohlenstoffkernen reagieren. Obwohl diese keine zwei Prozent der interstellaren Materie ausmachen, aus der Sterne entstehen, reicht diese Konzentration aus, um den CNO-Zyklus in Gang zu bringen und am Laufen zu halten. Sie wirken dabei als Katalysator: Sie beschleunigen die Reaktion, ohne jedoch selbst dabei verbraucht zu werden. Die Netto-Reaktion ist am Ende die gleiche wie beim Proton-Proton-Zyklus: die Fusion von Wasserstoff zu Helium. Doch in Sternen mit CNO-Zyklus läuft diese Reaktion wesentlich schneller ab.

„Als Targets verwenden wir Scheiben aus Tantal, auf die Kohlenstoff aufgedampft ist. Darauf schießen wir Protonen, die aus unserem 5-MV-Pelletron-Beschleuniger stammen und einen relativ weiten Energiebereich überstreichen. Die bei der Reaktion entstehenden Gammaquanten können wir mit 20 empfindlichen Reinstgermanium-Detektoren nachweisen“, schildert Bemmerer das experimentelle Vorgehen.

Das gemeinsam vom HZDR und der TU Dresden betriebene Untertagelabor Felsenkeller im Plauenschen Grund ist für solche Messungen optimal. Eine 45 Meter dicke Felsschicht im Stollen des ehemaligen Eislagers der Dresdner Felsenkeller-Brauerei schützt die Detektoren vor kosmischer Strahlung, deren Hintergrundsignale die Ergebnisse verfälschen können. Die aktuelle Arbeit ist darüber hinaus ein gutes Beispiel für die innereuropäische Zusammenarbeit in der Astrophysik-Community: Ein Doktorand der Universität Padua forschte während des Experiments für sechs Monate am Felsenkeller. Die Teilnahme weiterer Messgäste aus Italien, Ungarn und Schottland wurde von der EU im Rahmen des Projekts „ChETEC-INFRA“ finanziell unterstützt.

Originalpublikation:
J. Skowronski, E. Masha, D. Piatti, M. Aliotta, H. Babu, D. Bemmerer, A. Boeltzig, R. Depalo, A. Caciolli, F. Cavanna, L. Csedreki, Z. Fülöp, G. Imbriani, D. Rapagnani, S. Rümmler, K. Schmidt, R. S. Sidhu, T. Szücs, S. Turkat, A. Yadav: „Improved S factor of the 12C(p,γ)13N reaction at E=320–620 keV and the 422 keV resonance“, in Physical Review C 107, (2023) (DOI: 10.1103/PhysRevC.107.L062801)
https://journals.aps.org/prc/abstract/10.1103/PhysRevC.107.L062801

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• Unsere Sonne

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Quelle: TU Dresden 22. Februar 2023.

22. Februar 2023 – Was ist dunkle Materie? Was hat es mit Neutrinos auf sich? Wie funktionieren Sterne und was war eigentlich in den ersten Minuten nach dem Urknall im Universum los? Zur Beantwortung dieser Fragen benötigt man sehr empfindliche Detektoren und sehr viel Geschick. Nur in wenigen Laboren auf der Welt konnte man bisher solch sensitive Messungen durchführen. Seit kurzem gibt es jedoch auch in Deutschland einen derart empfindlichen Detektor, der den Forschenden zukünftig Antworten auf diese Fragen ermöglichen kann.

Nach langer Entwicklungsarbeit haben die Forschenden vom Institut für Kern- und Teilchenphysik (TU Dresden) und dem Institut für Strahlenphysik (HZDR) den Aufbau im Untertagelabor „Felsenkeller“ Dresden nun in Betrieb genommen. Sie können damit fortan Proben von Stoffen und Materialien mit einer Radioaktivität im Bereich von 100 Mikrobequerel analysieren, in anderen Worten, Proben mit 100 Millionen mal weniger Radioaktivität, als im menschlichen Körper vorhanden ist. Damit gehört der Messaufbau im Felsenkellerlabor zu der Weltspitze der sensitivsten Messgeräte für Radioaktivität.
„Wenn man seltene Prozesse und geringe Aktivitäten in der Physik untersuchen möchte, dann braucht man prinzipiell zwei Dinge: einerseits viel Geduld – denn die Prozesse finden ja nur selten statt – und andererseits eine Umgebung, die möglichst strahlungsarm ist, damit der Detektor nicht permanent von natürlichen Strahlungsquellen, wie sie z. B. in jedem Baumaterial vorhanden sind, gestört wird“, erklärt Steffen Turkat, TUD-Mitarbeiter im Felsenkeller-Labor.

So schützt die 45 Meter dicke Felsschicht im Stollen des ehemaligen Eislagers der Dresdner Felsenkeller-Brauerei den Detektor zwar vor einem Großteil der kosmischen Strahlung, jedoch nicht vor der natürlichen Radioaktivität aus der Umgebung. Daher mussten die Forschenden den Detektor zusätzlich mit einer ausgetüftelten Anordnung aus strahlungsarmen Betonwänden, großen Mengen an Blei und Kupfer sowie sogenannten Veto-Detektoren schützen. Nur so kann dieser hochempfindliche Aufbau funktionieren und Kernumwandlungen aus den wertvollen Proben auswerten.

„Ich freue mich besonders über die Vielzahl an ungeplanten Anfragen von interessierten Kolleg*innen weltweit, die den Detektor nun gerne nutzen würden. Bei diesen Anfragen geht es dann schnell mal um extrem wertvolle und seltene Proben, die wissenschaftlich äußerst spannend sind, die aber mit anderen Detektoren nicht analysiert werden können. So ein Detektor erzeugt somit automatisch neue Kollaborationen und Vernetzungen zu anderen faszinierenden Fachgebieten“, erläutert Steffen Turkat.

Prof. Kai Zuber von der TU Dresden ist der wissenschaftliche Leiter des Felsenkellerlabors und freut sich insbesondere darauf, seine eigenen anspruchsvollen Forschungsinteressen in der Physik jenseits des Standardmodells quasi vor der Haustür verfolgen zu können: „Ich interessiere mich vor allem für den doppelten Betazerfall und die Suche nach Prozessen, die die geladene Leptonenzahl verletzen würden. Aber auch für die Verbesserung der Halbwertszeiten von Radionukliden ist der Felsenkeller nun exzellent geeignet.“

Auch Prof. Daniel Bemmerer, Technischer Leiter des Felsenkellerlabors und Gruppenleiter für Nukleare Astrophysik am HZDR, ist begeistert von den neuen Möglichkeiten, die der Detektor bietet: „Wir können nun Aktivierungsmessungen für Kernfusions-Experimente bei Energien durchführen, die den eigentlichen Energien und Temperaturen in unserer Sonne wesentlich näherkommen, als es bisher möglich war. Dadurch wird auch eine neue Nutzungsmöglichkeit für den Felsenkeller-Beschleuniger geschaffen.“
Neben dem neuen Detektor ist in Deutschlands tiefstem Untertage-Physiklabor bereits seit 2019 ein Ionenbeschleuniger zur Untersuchung der wichtigsten Prozesse im Inneren der Sterne in Betrieb.

Der Detektor wurde aus Mitteln des Großgeräteprogramms der Deutschen Forschungsgemeinschaft beschafft.

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• physikalische Grundlagenforschung

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Quelle: HZDR – Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf.

3. Januar 2022 – Warum die Sonnenkorona Temperaturen von mehreren Millionen Grad Celsius erreicht, ist eines der großen Rätsel der Sonnenphysik. Eine „heiße“ Spur zur Erklärung dieses Effekts führt in einen Bereich der Sonnenatmosphäre, der direkt unterhalb der Korona liegt und in dem sich Schall- und bestimmte Plasmawellen gleich schnell bewegen. In einem Experiment mit dem geschmolzenen Alkalimetall Rubidium und gepulsten hohen Magnetfeldern hat ein Team des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) ein Labormodell entwickelt und das theoretisch vorhergesagte Verhalten dieser Plasmawellen – sogenannter Alfvénwellen – erstmals experimentell bestätigt, wie die Forscher in der Fachzeitschrift Physical Review Letters (DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.275001) berichten.

Im Zentrum unserer Sonne ist es mit 15 Millionen Grad Celsius unvorstellbar heiß. An ihrer Oberfläche strahlt sie ihr Licht bei vergleichsweise moderaten 6.000 Grad Celsius ab. „Umso erstaunlicher ist es, dass in der darüber liegenden Sonnenkorona plötzlich wieder Temperaturen von mehreren Millionen Grad vorherrschen“, sagt Dr. Frank Stefani. Sein Team forscht am HZDR-Institut für Fluiddynamik zur Physik von Himmelskörpern – darunter auch unser Zentralgestirn. Für Stefani ist das Phänomen der Koronaheizung nach wie vor eines der großen Rätsel der Sonnenphysik, das ihm in Gestalt einer ganz einfachen Frage immer wieder durch den Sinn geht: „Warum ist der Topf wärmer als der Herd?“

Dass für die Heizung der Korona Magnetfelder eine dominierende Rolle spielen, ist in der Sonnenphysik inzwischen weitgehend akzeptiert. Umstritten bleibt jedoch, ob dieser Effekt hauptsächlich durch eine plötzliche Änderung von Magnetfeldstrukturen im Sonnenplasma oder durch die Dämpfung verschiedener Wellenarten zu Stande kommt. Die neue Arbeit des Dresdner Teams nimmt die sogenannten Alfvénwellen in den Blick, die unterhalb der Korona im heißen und von Magnetfeldern durchdrungenen Plasma der Sonnenatmosphäre auftreten. Die auf die ionisierten Teilchen des Plasmas einwirkenden Magnetfelder ähneln dabei einer Gitarrensaite, deren Spiel eine Wellenbewegung auslöst. So wie die Tonhöhe einer angeschlagenen Saite mit ihrer Spannung steigt, wächst die Frequenz und die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Alfvénwelle mit der Stärke des Magnetfelds.

„Unterhalb der Korona liegt der sogenannte magnetische Baldachin, eine Schicht, in der Magnetfelder weitgehend parallel zur Sonnenoberfläche ausgerichtet sind. Hier haben Schall- und Alfvénwellen in etwa die gleiche Geschwindigkeit und können sich deshalb leicht ineinander umwandeln. Genau an diesen magischen Punkt wollten wir vordringen – dahin, wo die schockartige Verwandlung der magnetischen Energie des Plasmas in Wärme ihren Anfang nimmt“, umreißt Stefani das Ziel seines Teams.

Ein gefährliches Experiment?
Schon bald nach ihrer Vorhersage 1942 waren die Alfvénwellen in ersten Flüssigmetall-Experimenten nachgewiesen und später in aufwändigen plasmaphysikalischen Anlagen detailliert untersucht worden. Nur die für die Koronaheizung als entscheidend eingestuften Bedingungen des magnetischen Baldachins blieben für die Experimentatoren bisher unzugänglich. Einerseits ist in großen Plasmaexperimenten die Alfvéngeschwindigkeit typischerweise deutlich höher als die Schallgeschwindigkeit. Andererseits lag sie in allen bisherigen Flüssigmetall-Experimenten deutlich darunter. Der Grund dafür: die mit etwa 20 Tesla relativ niedrige Magnetfeldstärke üblicher supraleitender Spulen mit konstantem Feld.

Wie aber sieht es mit gepulsten Magnetfeldern aus, wie sie am Hochfeld-Magnetlabor Dresden (HLD) des HZDR mit Maximalwerten von nahezu 100 Tesla erzeugt werden können? Das entspricht etwa dem Zweimillionenfachen der Stärke des Erdmagnetfelds: Würden es diese extrem hohen Felder den Alfvénwellen gestatten, die Schallmauer zu durchbrechen? Durch einen Blick auf die Eigenschaften von Flüssigmetallen war im Vorfeld bekannt, dass das Alkalimetall Rubidium diesen magischen Punkt tatsächlich schon bei 54 Tesla erreicht.

Doch Rubidium entzündet sich spontan an der Luft und reagiert äußerst heftig mit Wasser. Dem Team kamen deshalb zunächst Bedenken, ob ein solch gefährliches Experiment überhaupt ratsam sei. Die Zweifel wurden schnell zerstreut, erinnert sich Dr. Thomas Herrmannsdörfer vom HLD: „Unsere Energieversorgungsanlage zum Betreiben der Pulsmagnete setzt in Sekundenbruchteilen 50 Megajoule um – damit könnten wir theoretisch ein Verkehrsflugzeug in Sekundenbruchteilen zum Starten bringen. Als ich den Kollegen erklärte, dass mich da ein Tausendstel dieses Betrags an chemischer Energie des flüssigen Rubidiums nicht sonderlich beunruhigt, hellten sich ihre Mienen sichtlich auf.“

Gepulst durch die Magnetschallmauer
Trotzdem war es bis zum erfolgreichen Experiment noch ein steiniger Weg. Wegen der im gepulsten Magnetfeld entstehenden Drücke von bis zum Fünfzigfachen des atmosphärischen Luftdrucks muss die Rubidiumschmelze von einem stabilen Edelstahlcontainer umschlossen sein, zu dessen Befüllung eigens ein erfahrener Chemiker aus dem Ruhestand geholt wurde. Durch die Einspeisung von Wechselstrom am unteren Ende des Containers bei gleichzeitiger Einwirkung des Magnetfelds gelang schließlich die Erzeugung von Alfvénwellen in der Schmelze, deren Aufwärtsbewegung mit der erwarteten Geschwindigkeit gemessen wurde.

Das Neue: Während bis zur magischen Feldstärke von 54 Tesla alle Messungen durch die Frequenz des Wechselstrom-Signals dominiert waren, tauchte genau an diesem Punkt ein neues Signal mit halbierter Frequenz auf. Diese plötzlich einsetzende Periodenverdopplung war in perfekter Übereinstimmung mit den theoretischen Vorhersagen. Die Alfvénwellen von Stefanis Team hatten die Schallmauer erstmals durchbrochen. Obwohl sich noch nicht alle beobachteten Effekte so problemlos erklären lassen, trägt die Arbeit ein wichtiges Detail zur Lösung des Rätsels der Koronaheizung bei. Für die Zukunft planen die Forscher detaillierte numerische Analysen und weitere Experimente.

Und auch anderenorts wird am Heizmechanismus der Korona geforscht: So sollen die Raumsonden „Parker Solar Probe“ und „Solar Orbiter“ aus nächster Nähe neue Einsichten gewinnen.

Publikation:
F. Stefani, J. Forbriger, Th. Gundrum, T. Herrmannsdörfer, J. Wosnitza: Mode Conversion and Period Doubling in a Liquid Rubidium Alfvén-Wave Experiment with Coinciding Sound and Alfvén Speeds, in Physical Review Letters, 2021 (DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.275001)

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Quelle: HZDR – Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf.

Ein internationales Forschungsteam unter Leitung von Prof. Anton Wallner vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) hat neue Beweise für eine Serie von Supernova-Ereignissen gefunden, die in den letzten 10 Millionen Jahren in relativer Nähe zur Erde stattgefunden haben. Anstatt den Himmel nach Spuren dieser Sternexplosionen zu scannen, haben sie am Meeresboden gesucht – und wurden fündig. Im Fachmagazin Science (DOI: 10.1126/science.aax3972) berichten sie von ihrer akribischen Fahndung nach zwei verschiedenen Isotopen, die beide nicht natürlich auf der Erde vorkommen und die ihren Ursprung im explosiven Ende massereicher Sterne haben. Damit fügen die Wissenschaftler*innen unserem Verständnis der Elemententstehung einen wichtigen, bisher fehlenden Baustein hinzu.

Das Team aus Australien, Israel, Japan, der Schweiz und Deutschland hatte zunächst 10 Millionen Jahre altes Tiefsee-Krustenmaterial aus dem Pazifik auf Eisen-60 untersucht. Das radioaktive Isotop ist ein guter Indikator für nahe Supernova-Ereignisse, also massiven Explosionen von Sternen, die sich ereignen, wenn ihnen der Brennstoff zur Neige geht und sie anschließend kollabieren. Dabei werden schwerere chemische Elemente wie Silber und Platin gebildet und in die kosmische Nachbarschaft geschleudert.

„Während diese Sternenreste durch den interstellaren Raum wandern, gehen davon auch kleine Mengen auf die Erde nieder und reichern sich im Meeresboden an, darunter auch Eisen-60“, erklärt Anton Wallner, der die Forschungsarbeiten an der HIAF-Anlage (Heavy Ion Accelerator Facility) der Australian National University (ANU) in Canberra geleitet hat. Der Forscher vom HZDR-Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung und der TU Dresden fährt fort: „Der Anteil des Eisen-60 aus dem Weltraum in der Kruste ist nur ein Millionstel eines Milliardstels der Menge des normalen Eisens, das auf der Erde natürlich vorkommt.“

Um die winzigen Mengen an interstellaren Eisen-60-Atomen zu identifizieren, setzten Wallner und sein Team auf extrem empfindliche Nachweismethoden. Dazu haben die Forscher*innen die Eisen-60-Spuren nach der chemischen Aufarbeitung der ozeanischen Bodenprobe von anderen, irdischen Isotopen getrennt, und zwar mit dem Schwerionenbeschleuniger der ANU, der weltweit einzigen Anlage, die empfindlich genug für diese Art Forschung ist.

Das Alter der einzelnen Schichten der Probe vom Meeresgrund ermittelten sie unabhängig davon über ein anderes radioaktives Isotop, mit Beryllium-10, das auch in den Proben zu finden ist. Die kombinierte Datierung ergab zudem, dass sich der Eisen-60-Eintrag eindeutig in zwei Schüben ereignet hatte, einmal in der Spanne vor vier bis einer Million Jahren, ein weiteres Mal vor etwa sieben Millionen Jahren. „Eisen-60 zerfällt mit einer Halbwertszeit von 2,6 Millionen Jahren und ist nach etwa zehn Millionen Jahren praktisch nicht mehr nachweisbar. Daher wissen wir, dass unsere Eisen-60-Probe innerhalb dieses Zeitfensters entstanden sein muss“, resümiert Wallner.

Fortschritt in der Analysetechnik beschert Forscher*innen weiteren Fund
Die Geschichte ist an dieser Stelle noch nicht zu Ende. Denn überraschenderweise entdeckte das Forschungsteam auch Spuren von Plutonium-244, von dem die Fachwelt annimmt, dass es bei Supernova-Explosionen oder bei der Verschmelzung von Neutronensternen entsteht. „Wir waren begeistert, interstellares Plutonium in unserem Probenmaterial zu entdecken. Es ist das erste Mal, dass Spuren seines Vorhandenseins in geologischen Archiven der Erde – wie etwa unserem Krustenmaterial – so deutlich gefunden wurden“, freut sich Wallner. Ähnlich wie Eisen-60 kommt auch Plutonium-244 nicht natürlich auf der Erde vor. Doch mit einer Halbwertszeit von 81 Millionen Jahren zerfällt es viel langsamer als Eisen-60.

In einer ausgeklügelten chemischen Probenaufbereitung konnten die Wissenschaftler*innen winzige Spuren von interstellarem Plutonium-244 abtrennen und mit dem VEGA-Beschleuniger der Australian Nuclear Science and Technology Organisation (ANSTO) in Sydney nachweisen. Dieser Erfolg wurde erst durch jüngste technische Verbesserungen des Verfahrens möglich, denn die nachgewiesenen Konzentrationen des Plutonium-244 waren nochmal 10.000-mal niedriger als die des schon extrem seltenen Eisen-60.

Mit dem Auffinden einer anderen Form von Plutonium hatten die Forscher*innen hingegen schon gerechnet. Bei der Analyse des Krustenmaterials stieß das Team gleich in den obersten, jüngsten Schichten auf menschengemachtes Plutonium, das dort ebenfalls eingebaut wurde: ein Zeitzeuge des Kalten Kriegs, als Atomwaffentests für eine globale Verteilung von Plutonium sorgten.

Warum nur so wenig Plutonium-244?
Im Mittel erlebt unsere Galaxie alle hundert Jahre ein bis zwei Supernova-Explosionen. Deshalb hatten die Wissenschaftler*innen höhere Mengen an Plutonium-244 in der Probe vom Pazifikboden erwartet – wenn das Element bei solchen Ereignissen entsteht. „Es deutet sehr viel darauf hin, dass dieses Plutonium-244 von den gleichen Supernova-Explosionen wie Eisen-60 stammt. Es könnte jedoch auch von einem viel älteren, aber noch spektakuläreren Ereignis wie etwa einer Neutronenstern-Verschmelzung übrig geblieben sein“, skizziert Wallner seinen Gedankengang. Die erste Variante stünde im Widerspruch zu neueren Arbeiten, die nahelegen, dass Plutonium ausschließlich bei solch seltenen Ereignissen entsteht, die mit der Detonation der ineinander stürzenden Neutronensterne enden. Doch um diese Spekulationen aufzuklären, sind weitere Daten erforderlich. Das gilt ebenso für eine Untermauerung von Vorstellungen, die Supernova-Einflüsse auf das Klima und die Evolution der Erde für denkbar halten.

Das Team hofft nun, eine deutlich größere Probe des Krustenmaterials untersuchen zu können, um Einblicke in eine noch weiter zurückliegende Zeit zu bekommen – bis ins späte Oligozän, vor rund 25 Millionen Jahren. Dabei soll die Suche auf andere interstellar gebildete Isotope ausgedehnt werden. So wollen die Forscher*innen mehr über die Ursprünge der schweren Elemente des Periodensystems erfahren.

Publikation:
A. Wallner, M. B. Froehlich, M. A. C. Hotchkis, N. Kinoshita, M. Paul, M. Martschini, S. Pavetich, S.G. Tims, N. Kivel, D. Schumann, M. Honda, H. Matsuzaki, T. Yamagata, ⁶⁰Fe and ²⁴⁴Pu deposited on Earth constrain the r-process yields of recent nearby supernovae, in Science, 2021 (DOI: 10.1126/science.aax3972).

Verwandte Meldung bei Raumfahrer.net:

• Supernova-Spuren in der Tiefsee (25. August 2020)

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• Supernovae

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Quelle: HZDR – Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf.

Die Erforschung warmer dichter Materie liefert Einblicke in das Innere von Riesenplaneten, braunen Zwergen und Neutronensternen. Dieser Materiezustand, der Eigenschaften sowohl von Festkörpern als auch von Plasmen aufweist, kommt jedoch nicht natürlich auf der Erde vor. Mit großen Röntgenstrahlexperimenten kann er in kleinem Maßstab und über kurze Zeiträume auch im Labor erzeugt werden. Zur Auswertung dieser Experimente sind theoretische und numerische Modelle von zentraler Bedeutung – ohne Formeln, Algorithmen und Simulationen ist deren Interpretation nicht möglich. Wissenschaftler*innen des Center for Advanced Systems Understanding (CASUS) am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) haben nun eine Methode entwickelt, mit der sich solche Experimente effektiver und schneller auswerten lassen als bisher.

Der exotische Zustand der warmen dichten Materie stellt eine außergewöhnliche Herausforderung für Forscher*innen dar, die ihn beschreiben wollen. Denn zum einen sind die vorherrschenden Dichten für die Anwendung von gängigen Modellen der Plasmaphysik zu hoch. Zum anderen greifen auch die Modelle für kondensierte Materie nicht mehr, da die beteiligten Energien bereits zu groß dafür sind. Der Modellierung solcher komplexen Systeme hat sich ein Team um Dr. Tobias Dornheim, Dr. Attila Cangi, Kushal Ramakrishna und Maximilian Böhme vom noch jungen Zentrum für Systemforschung CASUS in Görlitz verschrieben. Erste Ergebnisse hat die Fachzeitschrift Physical Review Letters bereits vor kurzem veröffentlicht. Zusammen mit Dr. Jan Vorberger vom Institut für Strahlenphysik am HZDR und Prof. Shigenori Tanaka von der Kobe University in Japan haben sie eine neue Methode erarbeitet, mit der sich die Eigenschaften von warmer dichter Materie effizienter und schneller berechnen lassen.

„Mit unserem Algorithmus lässt sich die sogenannte Lokalfeldkorrektur sehr genau berechnen. Sie beschreibt, wie die Elektronen in warmer dichter Materie miteinander wechselwirken und ermöglicht damit einen Zugang zu deren Eigenschaften. Diese Berechnung kann bei zukünftigen Röntgenstreuexperimenten zur Modellierung und Interpretation der Ergebnisse eingesetzt werden, aber auch als Grundlage für andere Simulationsverfahren. Das heißt, unsere Methode hilft dabei, die Eigenschaften warmer dichter Materie, wie Temperatur und Dichte, aber auch ihre Leitfähigkeit für elektrischen Strom oder Wärme und viele weitere Charakteristika zu bestimmen“, erläutert Dornheim.

Großrechner und neuronale Netze
„Die Motivation hinter der von uns entwickelten Methode ist, dass wir und viele Kollegen gerne wissen würden, wie sich Elektronen exakt unter dem Einfluss kleiner Störungen verhalten, etwa durch die Einwirkung eines Röntgenstrahls. Dazu kann man eine Formel herleiten, die aber so komplex ist, dass wir sie nicht mehr mit Stift und Zettel lösen können. Bisher hat man sich daher einer bestimmten Vereinfachung bedient, die aber bekanntermaßen einige wichtige physikalische Effekte nicht abbildet. Wir haben nun eine Korrektur eingeführt, die genau diesen Makel behebt“, fährt Dornheim fort.

Für die Umsetzung wurden rechenintensive Simulationen über Millionen Prozessorstunden auf Großrechnern durchgeführt. Auf Grundlage dieser Daten und mit Hilfe analytischer Methoden aus der Statistik trainierten die Wissenschaftler*innen ein neuronales Netzwerk, das die Wechselwirkung der Elektronen numerisch vorhersagen kann. Wie viel effizienter das neue Werkzeug ist, hängt von der jeweiligen Anwendung ab. „Generell können wir aber sagen, dass bisherige Verfahren bei hoher Genauigkeit tausende Prozessorstunden benötigen, wohingegen unsere Methode nur Sekunden beansprucht“, sagt Attila Cangi, der von den Sandia National Laboratories in den USA zu CASUS wechselte. „Somit kann man nun einen Laptop zur Simulation verwenden, wo zuvor ein Supercomputer notwendig war.“

Ausblick: Neuer Standardcode für die Experimentauswertung
Zwar ist der vorgestellte Code vorerst ausschließlich für die Elektronen in Metallen, zum Beispiel in Experimenten an Aluminium, anwendbar. Die Forscher*innen arbeiten aber bereits an einem allgemein anwendbaren Code, der zukünftig bei verschiedensten Materialen unter sehr unterschiedlichen Bedingungen Ergebnisse liefern soll. „Wir wollen unsere Erkenntnisse in einen neuen Code einfließen lassen. Dieser soll quelloffen sein, anders als der bisherige Code, der durch seine Lizenzierung keine einfachen Anpassungen durch neue theoretische Kenntnisse zulässt“, erläutert CASUS-Doktorand Maximilian Böhme, der dafür mit dem britischen Plasmaphysiker Dave Chapman zusammenarbeitet.

Es gibt nur wenige Großlabore, an denen solche Röntgenexperimente zur Erforschung warmer dichter Materie möglich sind. Zu nennen sind hier der European XFEL bei Hamburg, aber auch die Linear Coherent Light Source (LCLS) am Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) an der Stanford University, die National Ignition Facility (NIF) am Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), die Z Machine an den Sandia National Laboratories oder der SPring-8 Angstrom Compact free electron LAser (SACLA) in Japan. „Wir stehen mit diesen Laboren in Kontakt und erwarten, aktiv an der Modellierung der Experimente teilnehmen zu können“, verrät Tobias Dornheim. Erste Experimente an der Helmholtz International Beamline for Extreme Fields (HIBEF) am European XFEL sind bereits in Vorbereitung.

Publikation:
T. Dornheim, A. Cangi, K. Ramakrishna, M. Böhme, S. Tanaka, and J. Vorberger: Effective static approximation: A fast and reliable tool for warm-dense matter theory, in Physical Review Letters, 2020 (DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.235001)

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Quelle: HZDR – Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf.

Die Wissenschaftler*innen im Bereich der nuklearen Astrophysik wollen die Entstehung der Elemente im Universum seit Anbeginn der Zeit erklären. Die dabei erdachten Modelle fußen auf Kenngrößen, die sie aus Messdaten gewinnen, etwa die kosmische Dichte der aus Atomen aufgebauten Materie oder die Häufigkeit der Elemente im All. Eine wichtige Rolle spielen hier die Reaktionen leichter Atomkerne miteinander, unmittelbar nach dem Urknall. Ein Team unter führender Beteiligung des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) hat nun, wie das Fachmagazin Nature (DOI: 10.1038/s41586-020-2878-4) berichtet, eine der zentralen Reaktionen mit bisher unerreichter Genauigkeit untersucht: die Fusion eines Wasserstoffkerns, dem Proton, mit dem Kern des Wasserstoffisotops Deuterium.

Die Astrophysiker*innen aus Italien, Deutschland, Schottland und Ungarn haben am Laboratory for Underground Nuclear Astrophysics (LUNA) am Gran Sasso d’Italia diese Schlüsselreaktion der sogenannten primordialen Nukleosynthese untersucht. „So bezeichnen wir die Abfolge von Kernaufbaureaktionen, die zur Entstehung der leichtesten chemischen Elemente geführt hat, nur Sekunden nach dem Urknall. Bei dem von uns konkret untersuchten Prozess wird der Kern des Wasserstoffisotops Deuterium mit einem Proton beschossen. Dabei entsteht Helium-3, ein stabiles Helium-Isotop, sowie ein Gammaquant, das wir mit unserem Reinstgermanium-Detektor nachweisen können“, erläutert Doktorand Klaus Stöckel vom Institut für Strahlenphysik am HZDR das experimentelle Vorgehen.

Die Forscher*innen waren vor allem am sogenannten Wirkungsquerschnitt der Reaktion interessiert, der Auskunft über die Wahrscheinlichkeit ihres Auftretens gibt. Diesen Parameter haben sie nun mit beispielloser Präzision bestimmt. Zuvor hatte es nur wenige Daten im Bereich der Teilchenenergien gegeben, die für Reaktionen kurz nach dem Urknall relevant sind. Außerdem war die dabei erzielte Messunsicherheit zu hoch, um bei der Modellierung der Prozesse verlässlich genutzt werden zu können.

Primordiales Nuklearzeitalter: Synthese-Kickstart im Ur-Kosmos
Protonen und Neutronen, die Bausteine aller chemischen Elemente, entstanden in den ersten Sekundenbruchteilen nach dem Urknall. Als sich das Universum weiter ausdehnte und dabei abkühlte, bildete sich zunächst Deuterium, schwerer Wasserstoff. In weiteren Reaktionen entstanden andere Atomkerne wie Helium-3 und Helium-4. Drei Minuten nach dem Urknall bestand das Universum aus rund 75 Prozent Wasserstoff und 25 Prozent Helium-4, mit Spuren anderer leichter Elemente.

An diesem Verhältnis hat sich im Wesentlichen bis heute nichts geändert. Die erstaunlich genaue Vorhersage dieser Verteilung durch die Theorie der primordialen Nukleosynthese ist gleichzeitig eines der stärksten Argumente für ihre Richtigkeit: Sie bildet heute eins der Fundamente des Standardmodells der Kosmologie, das unsere Vorstellungen von der Entwicklung des Universums vereint.

In der kosmischen Stille des Gran Sasso
Um Wirkungsquerschnitte von Urknall-relevanten Kernreaktionen genau messen zu können, benötigen die Astrophysiker*innen eine effiziente Abschirmung vor kosmischer Strahlung, deren Hintergrundsignale die Ergebnisse verfälschen können. Das gelingt im unterirdischen LUNA-Labor am Gran Sasso. Das sich 1400 Meter über der Einrichtung auftürmende Sedimentgestein der Abruzzen bietet ideale Bedingungen für das Experiment: Hier können die Wissenschaftler*innen ungestört von äußeren Strahlungseinflüssen Prozesse nachstellen, die während der ersten Kernverschmelzungen des Universums abliefen.

Das LUNA-Team hat mit seinen Messungen die Uhr bis auf wenige Minuten nach der Geburt unseres Universums zurückgedreht: „Die Menge des gebildeten primordialen Deuteriums wird hauptsächlich durch die Fusionsreaktion bestimmt, die wir hier in ausgedehnten Messkampagnen untersucht haben. Die ermittelte Dichte der gewöhnlichen, aus Protonen und Neutronen bestehenden Materie stimmt hervorragend mit Werten überein, die Astrophysikerinnen und Astrophysiker zuvor aus ganz andersartigen Methoden ableiten konnten, wie etwa aus der Vermessung der kosmischen Hintergrundstrahlung oder der Untersuchung der Deuterium-Häufigkeit in bestimmten Wasserstoffgaswolken“, fasst HZDR-Projektleiter Dr. Daniel Bemmerer zusammen.

Die Ergebnisse der Studie ermöglichen es den Forscher*innen nun, eine genaue Bestimmung der Dichte der gewöhnlichen Materie im Universum vorzunehmen, die alles umfasst, was wir kennen – einschließlich des Lebens auf unserem Planeten. Laut aktuellem Wissensstand macht gewöhnliche Materie demnach fünf Prozent des Gesamtuniversums aus – die verbleibenden 95 Prozent werden unsichtbarer dunkler Materie und dunkler Energie zugerechnet.

Das Team wird seine wissenschaftliche Tätigkeit im nächsten Jahrzehnt mit dem LUNA-MV-Projekt fortsetzen, das sich auf die Untersuchung von Schlüsselreaktionen konzentriert, die für das Verständnis der chemischen Zusammensetzung des Universums und der Nukleosynthese der schweren Elemente wichtig sind. Die Wissenschaftler*innen setzen dabei auch auf komplementäre Experimente im Untertagelabor Felsenkeller, das vom HZDR und der TU Dresden gemeinsam betrieben wird.

Die Arbeiten wurden durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft gefördert.

Text: Dr. Bernd Schröder

Publikation:
V. Mossa, K. Stöckel, F. Cavanna, F. Ferraro, M. Aliotta, F. Barile, D. Bemmerer, A. Best, A. Boeltzig, C. Broggini, C. G. Bruno, A. Caciolli, T. Chillery, G. F. Ciani, P. Corvisiero, L. Csedreki, T. Davinson, R. Depalo, A. Di Leva, Z. Elekes, E. M. Fiore, A. Formicola, Zs. Fülöp, G. Gervino, A. Guglielmetti, C. Gustavino, G. Gyürky, G. Imbriani, M. Junker, A. Kievsky, I. Kochanek, M. Lugaro, L. E. Marcucci, G. Mangano, P. Marigo, E. Masha, R. Menegazzo, F. R. Pantaleo, V. Paticchio, R. Perrino, D. Piatti, O. Pisanti, P. Prati, L. Schiavulli, O. Straniero, T. Szücs, M. P. Takács, D. Trezzi, M. Viviani, S. Zavatarelli, The baryon density of the Universe from an improved rate of deuterium burning, in Nature, 2020 (DOI:10.1038/s41586-020-2878-4)

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• Urknall

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Quelle: Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP).

28. Oktober 2019 – Der Effekt könnte sogar eine wesentliche Rolle bei der Entstehung des Sonnenmagnetfelds spielen, wie Forscher des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR), der Universität Leeds und des Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP) berichten.

Wie bei einem gigantischen Dynamo entsteht das starke Magnetfeld der Sonne durch elektrische Ströme. Um diesen sich selbst verstärkenden Mechanismus des Sonnendynamos besser zu verstehen, müssen Forscherinnen und Forscher die Vorgänge und Strömungen im Sonnenplasma entschlüsseln. Unterschiedliche Drehgeschwindigkeiten verschiedener Regionen und komplexe Strömungen im Inneren der Sonne wirken zusammen, um das Magnetfeld zu erzeugen. Dabei können außergewöhnliche magnetische Effekte auftreten – wie die jetzt entdeckte magnetische Instabilität.

„Super-HMRI“ nennen die Forscher den neu erkannten Spezialfall der Magnetorotationsinstabilität (helical magnetorotational instability, HMRI). Es ist ein magnetischer Mechanismus, der rotierende, elektrisch leitende Flüssigkeiten und Gase in einem Magnetfeld instabil werden lässt. Das Besondere in diesem Fall: die Super-HMRI benötigt exakt die Bedingungen, wie sie im Plasma nahe des Sonnenäquators vorherrschen – dort, wo Astrophysikerinnen und Astrophysiker die meisten Sonnenflecken und somit die größte magnetische Aktivität der Sonne beobachten. Allerdings war diese Instabilität in der Sonne bisher übersehen worden und wird in Modellen des Sonnendynamos noch nicht berücksichtigt.

Dabei ist bekannt, dass magnetische Instabilitäten entscheidend an vielen Vorgängen im Universum beteiligt sind. Beispielsweise entstehen Sterne und Planeten aus großen, sich drehenden Scheiben aus Staub und Gas. Ohne Magnetfelder ließe sich dieser Vorgang nicht erklären. Magnetische Instabilitäten machen die Strömung in den Scheiben turbulent und ermöglichen so, dass sich die Masse zu einem zentralen Objekt zusammenballt. Wie ein Gummiband verbindet das Magnetfeld benachbarte Schichten, die mit unterschiedlicher Geschwindigkeit rotieren. Es beschleunigt die langsamen äußeren und bremst die schnellen inneren Materieteilchen. Die Wirkung der Fliehkraft reicht dort nicht mehr aus und die Materie stürzt ins Zentrum. In der Nähe des Sonnenäquators verhält es sich genau umgekehrt. Hier bewegen sich die inneren Schichten langsamer als die äußeren. Ein solches Strömungsprofil galt in Fachkreisen bislang als physikalisch extrem stabil.

Die Forscher vom HZDR, von der Universität Leeds und vom AIP haben diesen Fall dennoch näher untersucht. Für ein kreisförmiges Magnetfeld hatten sie bereits errechnet, dass auch für außen schneller rotierende Flüssigkeiten und Gase eine magnetische Instabilität auftreten kann. Allerdings nur unter unrealistischen Bedingungen: Die Rotationsgeschwindigkeit müsste nach außen hin zu stark anwachsen. Im zweiten Anlauf gingen sie nun von einem schraubenförmig geformten Magnetfeld aus. „Wir erwarteten nichts Besonderes mehr, aber dann gab es eine handfeste Überraschung“, erinnert sich HZDR-Wissenschaftler Dr. Frank Stefani. Denn hier kann die magnetische Instabilität bereits einsetzen, wenn die Geschwindigkeit zwischen den rotierenden Plasmaschichten nur schwach zunimmt – was in der äquatornahen Region der Sonne der Fall ist.

„Die neue Instabilität könnte eine wichtige Rolle bei der Erzeugung des Sonnenmagnetfeldes spielen“, schätzt Stefani ein. „Um dies zu bestätigen, müssen wir allerdings zunächst noch weitere, numerisch aufwändige Rechnungen durchführen.“ Prof. Günther Rüdiger vom AIP ergänzt: „Astrophysik und Klimaforschung hoffen noch immer auf ein besseres Verständnis des Sonnenfleckenzyklus. Vielleicht bringt uns die jetzt gefundene ‚Super-HMRI‘ den entscheidenden Schritt weiter.“

Mit komplementären Spezialisierungen in der Astrophysik und der Magnetohydrodynamik beschäftigt sich das interdisziplinäre Team bereits seit über 15 Jahren mit magnetischen Instabilitäten – im Labor, auf dem Papier und mit Hilfe aufwändiger Simulationen. Die Wissenschaftler wollen physikalische Modelle verbessern, kosmische Magnetfelder verstehen und innovative Flüssigmetallbatterien entwickeln. Durch die enge Kooperation gelang es ihnen 2006, die Theorie der Magnetorotationsinstabilität erstmals experimentell zu bestätigen. Auch für die jetzt theoretisch vorhergesagte Spezialform planen die Forscher den Praxistest: In einem Großexperiment, das derzeit im DRESDYN-Projekt am HZDR aufgebaut wird, wollen sie magnetische Instabilitäten im Labor untersuchen.

Originalveröffentlichung
G. Mamatsashvili, F. Stefani, R. Hollerbach, G. Rüdiger: Two types of axisymmetric helical magnetorotational instability in rotating flows with positive shear, in Physical Review Fluids, 2019.

Der Beitrag Ein übersehenes Puzzleteil des Sonnendynamos erschien zuerst auf Raumfahrer.net.