Gibt es Kernspaltung im Universum? Alte Sterne in der Milchstraße bergen Geheimnisse

Autor: Shen Wen, Herausgeber von Principles

Theoretisch entstehen bei der Kollision zweier Neutronensterne superschwere Elemente, die schwerer sind als die schwersten Elemente auf der Erde. Allerdings sind diese superschweren Elemente sehr instabil und zerfallen durch Kernspaltung schnell in leichtere Elemente. Doch bislang ist es niemandem gelungen, zu beweisen, dass es im Universum tatsächlich zu einer solchen Kernspaltung kommt. Erst am 7. Dezember 2023 erklärten Forscher in einer in der Fachzeitschrift Science veröffentlichten Studie, sie hätten erstmals Hinweise auf die Spaltung von Elementen gefunden, die schwerer als Uran sind. Um zu verstehen, wie das funktioniert, beginnen wir mit dem Ursprung der Elemente.

Wir alle sind mit dem Periodensystem bestens vertraut, doch die darin enthaltenen Elemente sind nicht immer vorhanden. Tatsächlich geht die Geschichte der Entstehung der Elemente auf den Urknall vor 13,8 Milliarden Jahren zurück. Etwa 15 Minuten nach dem Urknall entstanden die ersten chemischen Elemente im Universum: Wasserstoff, Helium und eine kleine Menge Lithium. Diese drei Elemente sind auch die ersten drei Elemente im Periodensystem. Abgesehen von diesen drei Elementen gibt es im frühen Universum keine weiteren schwereren Elemente.

Im Laufe der Zeit, etwa 100 Millionen Jahre nach dem Urknall, bildeten sich die ersten Sterne im Universum. Danach wurden Sterne zu Fabriken für die Elemente. Im Kern eines Sterns wird durch Kernfusion Wasserstoff in Helium umgewandelt. Solange genügend Brennstoff vorhanden ist, wird die Fusion weitergehen. Doch wie das Leben sterben auch die Sterne. Gegen Ende ihrer Entwicklung, wenn ihnen der Brennstoff ausgeht, erzeugen Sterne immer schneller schwere Elemente. Im Laufe der Zeit wird das Helium im Inneren des Sterns in Kohlenstoff und Sauerstoff umgewandelt. Der Sauerstoff verschmilzt dann zu Silizium, Phosphor und Schwefel. In der Endphase seines langen Lebens produziert ein Stern Metalle wie Eisen. Sobald ein Stern mit der Eisenproduktion beginnt, kann die unerbittliche Schwerkraft nichts mehr aufhalten. Im Bruchteil einer Sekunde kollabiert der Stern unter seiner eigenen Schwerkraft und explodiert als Supernova, wobei neu entstandene Elemente ins Universum geschleudert werden.

Die schwersten Elemente im Universum entstehen durch den sogenannten r-Prozess oder schnellen Neutroneneinfang. Während dieses Prozesses absorbiert der Atomkern schnell das Neutron und unterliegt dann einem radioaktiven Zerfall, wodurch neue Elemente entstehen, beispielsweise schwere Elemente wie Platin, Gold und Uran.

Abbildung: Wenn zwei Neutronensterne miteinander verschmelzen, fliegen Neutronen und Atomkerne (wie etwa Eisenkerne) heraus, und in sehr kurzer Zeit (normalerweise weniger als einer Sekunde) sammelt sich ein Haufen Neutronen im Atomkern, und dann zerfallen die Neutronen im Atomkern und bilden schwere Elemente (wie etwa Gold).

Der R-Prozess erfordert eine große Menge Energie und eine große Anzahl von Neutronen, sodass er häufig in einer neutronenreichen Umgebung auftritt, beispielsweise bei der Verschmelzung zweier Neutronensterne. Wenn Sterne sterben, die mehrere Male massereicher sind als unsere Sonne, kollabieren ihre Kerne zu Neutronensternen. Vor einigen Jahren bestätigten Astronomen, dass bei der Verschmelzung zweier Neutronensterne eine große Menge schwerer Elemente entstehen würde.

Obwohl Wissenschaftler ein allgemeines Verständnis davon haben, wie der r-Prozess funktioniert, ist wenig über den r-Prozess bekannt, der Elemente erzeugt, die schwerer als Uran sind. Da die Bedingungen, unter denen der r-Prozess stattfindet, äußerst extrem sind, kann er außerdem nicht im Labor untersucht werden.

Um den r-Prozess besser zu verstehen, untersuchten die Forscher in der neuen Studie die Daten verschiedener Elemente in 42 sehr alten Sternen in der Milchstraße erneut. Diese Sterne enthalten alle r-Prozess-Elemente.

Bei einer umfassenderen Betrachtung der Mengen der einzelnen schweren Elemente in diesen Sternen stellten sie fest, dass die Häufigkeit der Elemente Ruthenium, Rhodium, Palladium und Silber in diesen Sternen mit einer Gruppe schwererer Elemente korreliert und dass, wenn ein Element in einer Gruppe zunimmt, auch das entsprechende Element in der anderen Gruppe in positiver Korrelation zunimmt.

Die einzige plausible Erklärung für dieses Phänomen in verschiedenen Sternen ist, dass es bei der Entstehung schwerer Elemente einen einheitlichen Prozess gibt. Nachdem die Forscher alle Möglichkeiten geprüft hatten, kamen sie zu dem Schluss, dass die Kernspaltung die einzige Erklärung sei, mit der sich der Trend reproduzieren ließe. Kernspaltung ist grundsätzlich das Gegenteil von Kernfusion. Es bezieht sich auf den Prozess, bei dem Energie freigesetzt wird, wenn schwere Elemente gespalten werden und leichtere Elemente entstehen.

Die neuen Ergebnisse deuten darauf hin, dass einige r-Prozess-Ereignisse Elemente erzeugen können, die schwerer als Uran sind, die dann in die in Sternen beobachteten Elemente zerfallen. Mit anderen Worten: Einige Elemente in der Mitte des Periodensystems, wie etwa Silber und Rhodium, sind wahrscheinlich die Überreste der Spaltung schwererer Elemente. Noch überraschender war die Entdeckung der Forscher, dass der R-Prozess Elemente mit einer Atommassenzahl von mindestens 260 vor der Kernspaltung erzeugen kann, deren Kerne weit mehr Neutronen als Protonen aufweisen.

Diese Forschung liefert nicht nur den ersten Beweis für die Kernspaltung im Universum, sondern vertieft auch unser Verständnis der Entstehung der Elemente erheblich.

Dieser Artikel ist eine vom Science Popularization China Starry Sky Project unterstützte Arbeit

Autor: Shen Wen

Gutachter: Zhang Shuangnan, Forscher, Institut für Hochenergiephysik, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

Hersteller: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.