Quelle: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung.

15. November 2021 – 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. Die Forschungsergebnisse sind in der Fachzeitschrift „Monthly Notices of the Royal Astronomical Society“ veröffentlicht.

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.

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.“ 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.

Publikation
Wissenschaftliche Veröffentlichung im Journal „Monthly Notices of the Royal Astronomical Society“: Neutrino absorption and other physics dependencies in neutrino-cooled black hole accretion discs

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Quelle: TU Darmstadt.

Europium ist der Schlüssel zum Verständnis der Entstehung der schweren Elemente durch den schnellen Neutroneneinfangprozess, den sogenannten r-Prozess. Dieser ist entscheidend sowohl für die Bildung der Hälfte der Elemente, die schwerer sind als Eisen, als auch für das gesamte Vorkommen an Thorium und Uran im Universum. Die EUROPIUM-Gruppe hat theoretische astrophysikalische Simulationen mit Beobachtungen der ältesten Sterne in unserer Galaxie und in Zwerggalaxien kombiniert. Letztere sind kleine, von dunkler Materie dominierte Galaxien, die um unsere Galaxie kreisen. Zwerggalaxien sind exzellente Testobjekte für die Untersuchung des r-Prozesses, da einige der ältesten, also seit 10 bis 13 Milliarden Jahren existierenden metallarmen Sterne eine Überhäufigkeit von r-Prozess-Elementen aufgewiesen haben. Studien haben sogar postuliert, dass nur ein einziges neutronenreiches Ereignis für diese Anreicherung in den kleinsten Zwerggalaxien verantwortlich sein könnte.

Mit ihrer neuen Entdeckung ist es den Forschenden in Darmstadt und Heidelberg gelungen, den höchsten jemals beobachteten Europium-Gehalt zu bestimmen – und sie haben einen neuen Namen für diese Sterne geprägt: „Europium-Sterne“. Diese Sterne gehören zur Zwerggalaxie Fornax – einer sphäroidischen Zwerggalaxie mit einem hohen Sterngehalt. In ihrer Publikation berichtet die Gruppe auch über die erste Beobachtung von Lutetium in einer Zwerggalaxie überhaupt und der größten Stichprobe von beobachtetem Zirconium.

Die „Europium-Sterne“ in Fornax wurden kurz nach einer explosiven Produktion schwerer Elemente geboren. Aufgrund der hohen stellaren Metallhäufigkeit muss das extreme r-Prozess-Ereignis erst vor vier bis fünf Milliarden Jahren stattgefunden haben. Dies ist ein sehr seltener Fund, da die meisten Europium-reichen Sterne viel älter sind. Daher geben die Europium-Sterne Einblicke in den Ursprung der Elemente im Universum zu einem sehr spezifischen und späten Zeitpunkt.

Schwere Elemente entstehen durch den r-Prozess bei der Verschmelzung zweier Neutronensterne oder beim explosiven Ende massereicher Sterne mit starken Magnetfeldern. Die EUROPIUM-Gruppe hat diese beiden hochenergetischen Ereignisse analysiert und detaillierte Studien zur Elementproduktion in diesen Umgebungen durchgeführt. Aufgrund der immer noch großen Unsicherheiten in den kernphysikalischen Angaben ist es jedoch nicht möglich, die schweren Elemente in den „Europium-Sternen“ eindeutig einer dieser astrophysikalischen Umgebungen zuzuordnen. Zukünftige Experimente im neuen Beschleunigerzentrum FAIR am GSI-Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt werden diese Unsicherheiten deutlich reduzieren.

Darüber hinaus wird das neue hessische Clusterprojekt ELEMENTS, bei dem Professorin Arcones als leitende Forscherin fungiert, in einzigartiger Weise Simulationen von Neutronensternverschmelzungen, Nukleosynthese-Berechnungen mit den neuesten experimentellen Informationen und Beobachtungen kombinieren, um die seit langem bestehende Frage zu untersuchen: Wo und wie werden schwere Elemente im Universum produziert?

Publikation:
M. Reichert, C. J. Hansen, and A. Arcones: Extreme r-process Enhanced Stars at High Metallicity in Fornax. In: The Astrophysical Journal, Volume 912, Number 2.

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Quelle: TU Darmstadt

Ein internationales Forscherteam, darunter Dr. Marius Eichler und Professorin Dr. Almudena Arcones von der TU Darmstadt und dem GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, untersuchte die Entstehung unseres Sonnensystems vor 4,6 Milliarden Jahren und gewann dabei neue Erkenntnisse über den kosmischen Ursprung der schwersten Elemente im Periodensystem. Die Ergebnisse sind nun in „Science“ veröffentlicht worden.

Die Frage, bei welchen astronomischen Ereignissen der schnelle Neutroneneinfangsprozess, kurz r-Prozess, stattfinden kann, der die schwersten Elemente im Universum wie Jod, Gold, Platin, Uran, Plutonium und Curium erzeugt, ist seit Jahrzehnten unbeantwortet. Derzeit geht man davon aus, dass der r-Prozess bei Kollisionen zwischen zwei Neutronensternen, einem Neutronenstern und einem Schwarzen Loch oder bei seltenen Supernova-Explosionen nach dem Tod massereicher Sterne ablaufen kann.

Einige der durch den r-Prozess erzeugten Kerne sind radioaktiv und brauchen Millionen von Jahren, um in stabile Kerne zu zerfallen. Jod-129 und Curium-247 sind zwei solche radioaktive Kerne. Sie wurden bei der Entstehung der Sonne in Meteoriten festgehalten und haben eine erstaunliche Besonderheit: Sie zerfallen mit fast genau der gleichen Geschwindigkeit. Das bedeutet, dass sich das Verhältnis von Jod-129 zu Curium-247 seit ihrer Entstehung vor Milliarden von Jahren nicht verändert hat. „Da das Verhältnis von Jod-129 zu Curium-247 wie ein prähistorisches Fossil in der Zeit eingefroren ist, können wir einen direkten Blick auf die letzte Welle der Produktion schwerer Elemente werfen, die die Zusammensetzung des Sonnensystems aufbaute“, sagt Benoit Côté, der Erstautor der Studie.

Das Team berechnete das Verhältnis von Jod-129 zu Curium-247, das bei Kollisionen zwischen Neutronensternen und Schwarzen Löchern entsteht, und verglich ihre Modellvorhersagen mit den in Meteoriten gefundenen Werten. Die Forschenden kamen zu dem Schluss, dass die Anzahl der Neutronen während des letzten r-Prozess-Ereignisses, das der Geburt des Sonnensystems vorausging, nicht zu hoch sein kann, da sonst zu viel Curium im Verhältnis zu Jod erzeugt wird. Dies impliziert, dass sehr neutronenreiche Quellen, wie zum Beispiel das Material, das während einer Kollision von der Oberfläche eines Neutronensterns abgerissen wurde, wahrscheinlich keine wichtige Rolle gespielt haben, während mäßig neutronenreiche Bedingungen, die oft in den Auswürfen der Akkretionsscheibe gefunden werden, die sich um das Verschmelzungsereignis bilden, eher mit dem meteoritischen Wert übereinstimmen.

Da Nukleosynthese-Vorhersagen auf unsicheren nuklearen und stellaren Eigenschaften beruhen, steht die endgültige Antwort darauf, welches astronomische Objekt die genaue Quelle war, noch nicht fest. „Die Möglichkeit, durch das Verhältnis von Jod-129 zu Curium-247 einen direkteren Blick auf die fundamentale Natur der Nukleosynthese schwerer Elemente zu werfen, ist jedoch eine spannende Aussicht“, sagt Dr. Marius Eichler, der ebenfalls Teil des untersuchenden Teams und Postdoc in der Gruppe von Professorin Dr. Almudena Arcones war. Auf diese Arbeit aufbauend können zukünftige astrophysikalische Simulationen von Sternverschmelzungen und Sternexplosionen in Kombination mit Kernphysikexperimenten, wie sie bei GSI und dem dort entstehenden internationalen Beschleunigerzentrum FAIR geplant sind, nun auch an meteoritischen Bedingungen getestet werden, um die Quelle der schwersten Elemente des Sonnensystems zu entschlüsseln.

Die Forschungsarbeit von Dr. Marius Eichler und Prof. Almudena Arcones wurde teilweise durch den ERC Starting Grant EUROPIUM und den DFG-Sonderforschungsbereich 1245 unterstützt.

Publikation
Die Studie ist unter dem Titel „129I and 247Cm in meteorites constrain the last astrophysical source of solar r-process elements“ in „Science“ erschienen.
DOI: 10.1126/science.aba1111

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• Die Alchemie von verschmelzenden Neutronensternen (23. Oktober 2019)

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Quelle: Max-Planck-Institut für Astronomie.

23. Oktober 2019 – Zum ersten Mal haben Astronomen ein chemisches Element identifiziert, das durch das Verschmelzen zweier Neutronensterne gebildet wurde. Der verantwortliche Mechanismus, der als r-Prozess bezeichnet wird – auch bekannt als schneller Neutroneneinfang – gilt als der Ursprung großer Mengen von Elementen, die schwerer sind als Eisen. Diese Entdeckung wirft neues Licht auf das Rätsel über diejenigen Objekte, in denen dieser r-Prozess stattfindet. Mit wichtigen Beiträgen des Max-Planck-Instituts für Astronomie (MPIA) in Heidelberg konnten Astronomen nun eindeutig zeigen, dass die Vereinigung zweier Neutronensterne die Voraussetzungen für diesen Prozess schafft und als Reaktor dient, in dem neue Elemente erbrütet werden.

Die Herkunft von schweren Elementen wie Gold, Blei und Uran ist bis heute nicht völlig geklärt. Die leichtesten Elemente – Wasserstoff und Helium – wurden in nennenswerten Mengen bereits mit dem Urknall erzeugt. Die Kernfusion in den Zentren der Sterne ist zudem als Quelle für Atome vom Helium bis hin zum Eisen gut etabliert.

Für die Erzeugung von schwereren Atomen vermuten Wissenschaftler einen Prozess, der freie Neutronen an bereits bestehende Bausteine anlagert. Die schnelle Variante dieses Mechanismus ist der r-Prozess (r steht für rapid, d.h. schnell) oder schneller Neutroneneinfang. Welche Objekte solche Reaktionen ermöglichen, wird derzeit erforscht. Als potentielle Kandidaten gelten bislang seltene Formen von Supernovaexplosionen und die Verschmelzung von dichten Endstadien von Sternen wie Neutronen-Doppelsterne [1].

Große Mengen an Strontium bilden sich in weniger als einer Sekunde
Eine internationale Gruppe von Astronom mit wesentlicher Beteiligung von Camilla Juul Hansen vom Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) hat nun durch die Auswertung von Spektren die Signatur des Elements Strontium entdeckt, das während einer explosionsartigen Verschmelzung von zwei Neutronensternen durch den r-Prozess gebildet wurde.

Die explosive Vereinigung erzeugte eine Blase, die sich mit rasenden 20% bis 30% der Lichtgeschwindigkeit ausdehnt. Der Anteil des neu gebildeten Strontiums an der expandierenden Hülle beträgt etwa fünf Erdmassen (1 Erdmasse = 6·10²⁴ kg). Somit liefern die Forscher zum ersten Mal den eindeutigen Nachweis, dass solch eine Kollision die Bedingungen für den r-Prozess bietet, in denen schwere Elemente erzeugt werden können. Nebenbei ist dies die erste empirische Bestätigung, dass Neutronensterne aus Neutronen bestehen.

Der r-Prozess ist wahrhaftig rasant. Pro Sekunde strömen mehr als 10²² Neutronen durch eine Fläche von einem Quadratzentimeter. Durch den Beta-Zerfall verwandeln sich einige der angehäuften Neutronen in Protonen, wobei jeweils ein Elektron und ein Antineutrino abgegeben werden. Das Besondere an dieser Reaktion ist, dass sich die Neutronen schneller zu großen Objekten zusammenfügen, als dass die neu entstandenen Konglomerate wieder zerfallen. So können selbst aus einzelnen Neutronen innerhalb weniger als eine Sekunde schwere Elemente entstehen.

Verschmelzende Neutronensterne erzeugen Gravitationswellen
Die Daten wurden im Nachgang der spektakulären Entdeckung des Gravitationswellensignals GW170817 vom August 2017 mit dem Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte (ESO) erstellt. Neben einem Gammastrahlungsausbruch wurde an selber Stelle die Kilonova AT2017gfo beobachtet, ein Nachleuchten im sichtbaren Licht aufgrund der radioaktiven Prozesse, das nach einem zunächst starken Helligkeitsanstieg innerhalb weniger Tage verblasste. Die erste Analyse der Spektren im Jahr 2017 durch eine andere Forschungsgruppe konnte zunächst kein klares Ergebnis über die Zusammensetzung der Reaktionsprodukte liefern.

Die aktuelle Auswertung von Dr. Hansen und ihren Kollegen basiert auf der Erstellung von synthetischen und der Modellierung der beobachteten Spektren, die über vier Tage hinweg in einem Abstand von je einem Tag aufgenommen wurden. Die Spektren deuten auf ein Objekt mit einer anfänglichen Temperatur von ca. 4000K (ca. 4300 °C) hin, welches sich in den folgenden Tagen abschwächte und abkühlte. Auffällig sind die Helligkeitsdefizite bei Wellenlängen von 350 und 850 nm. Diese sind gleichsam die Fingerabdrücke des Elements, das an diesen Stellen Licht absorbiert.

Unter Berücksichtigung der Blauverschiebung dieser Absorptionsbanden, die durch die Expansion der Hülle wegen des Doppler-Effekts hervorgerufen wird, hat die Forschungsgruppe synthetische Spektren von einer großen Anzahl von Atomen [2] mittels dreier Methoden mit zunehmender Komplexität berechnet. Da all diese Methoden konsistente Ergebnisse liefern, gilt die Schlussfolgerung als robust. Es stellte sich heraus, dass einzig Strontium, erzeugt durch den r-Prozess, in der Lage ist, die Positionen und die Stärke der Absorptionen in den Spektren zu erklären.

Ein Fortschritt im Verständnis der Entstehung schwerer Elemente
„Die Ergebnisse dieser Arbeit sind ein wichtiger Schritt bei der Entschlüsselung der Nukleosynthese von schweren Elementen und ihren kosmischen Brutstätten“, schlussfolgert Hansen. „Dies war nur durch die Verknüpfung der erst jungen Disziplin der Gravitationswellenastronomie mit präziser Spektroskopie elektromagnetischer Strahlung möglich. Diese neuen Messmethoden geben Hoffnung auf weitere bahnbrechende Erkenntnisse über die Eigenschaften des r-Prozesses.“

Endnoten
[1] Neutronensterne sind extrem dichte Überreste von massereichen Sternen, nachdem sie am Ende ihres Lebens in einer Supernova explodieren. Neutronensterne können Massen zwischen 1,4 und einer theoretischen oberen Grenze von 3,2 Sonnenmassen (1 Sonnenmasse = 2·10³⁰ kg) aufweisen. Ihr typischer Durchmesser beträgt 10 km. [2] Die Wissenschaftler untersuchten Atome zwischen Gallium (₃₁Ga) und Uran (₉₂U).
Hintergrundinformationen
Die Spektren wurden mit dem Spektrografen X-Shooter am Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte (ESO) während des Beobachtungsprogramms 099.D-0382 aufgenommen und erstmals von Pian et al. (2017, Nature, 551, 67) publiziert. Die aktuellen Ergebnisse wurden in Zusammenarbeit mit Darach Watson und Jonatan Selsing (Universität Kopenhagen, Cosmic Dawn Center, Dänemark) sowie weiteren Mitarbeitern der Universität Kopenhagen sowie dem Cosmic Dawn Center, Dänemark, dem Zentrum für Astronomie der Universität Heidelberg, dem Heidelberger Institut für Theoretische Studien, der TU Darmstadt, dem GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Darmstadt, dem Max-Planck-Institut für Astrophysik, Garching, sowie weiterer wissenschaftlicher Institute in Dänemark, Italien, Island, den USA sowie in Großbritannien gewonnen.

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