Der Astronom Carl Sagan hat es am besten ausgedrückt: „Wir sind aus Sternenmaterial gemacht.“ Die Atome, aus denen die Chemikalien unseres Körpers bestehen, stammen nicht von der Erde; Sie kamen aus dem Weltraum. Der Urknall erzeugte Wasserstoff, Helium und ein wenig Lithium, aber schwerere Atome – die für das Leben essentiellen – stammten aus Prozessen, die mit Sternen in Verbindung stehen.
Wissenschaftler können jetzt tiefer nachforschen. Welche Sternprozesse produzieren welche Elemente? Und um welche Sterne handelt es sich?
Ein neues Experiment namens TIGERISS, das für die Internationale Raumstation vorgesehen ist, soll es herausfinden. TIGERISS wurde als neueste Astrophysik-Pioniermission der NASA ausgewählt.
Pioniere sind kleine astrophysikalische Missionen, die innovative Untersuchungen kosmischer Phänomene ermöglichen. Dazu können Experimente gehören, die zum Fliegen auf kleinen Satelliten, wissenschaftlichen Ballons, der Raumstation und Nutzlasten entwickelt wurden, die den Mond umkreisen oder auf ihm landen könnten.
Anfang dieses Jahres erhielten die vier vorherigen Pioneers-Missionskonzepte, die im Januar 2021 ausgewählt wurden, grünes Licht, um mit dem Bau fortzufahren, und wurden für den Flug im Laufe dieses Jahrzehnts genehmigt.
„Die Pioneer-Missionen sind eine unschätzbare Gelegenheit für Wissenschaftler am Anfang oder in der Mitte ihrer Karriere, überzeugende astrophysikalische Untersuchungen durchzuführen und gleichzeitig echte Erfahrungen beim Bau weltraumgestützter Instrumente zu sammeln“, sagte Mark Clampin, Direktor der Astrophysik-Abteilung im NASA-Hauptquartier in Washington. „Mit TIGERISS erweitern die Pioniere ihre Reichweite zur Raumstation, die eine einzigartige Plattform zur Erforschung des Universums bietet.“
Auge des Tigers
TIGERISS Principal Investigator Brian Rauch, Research Associate Professor of Physics an der Washington University in St. Louis, beschäftigt sich seit seinem Studium dort mit Fragen zum Ursprung von Elementen und hochenergetischen Teilchen. Während seines Studiums arbeitete Rauch fast drei Jahre lang an einem Teilchendetektor namens Trans-Iron Galactic Element Recorder oder TIGER. Das Experiment hatte seinen ersten Flug auf einem Ballon im Jahr 1995; Langzeit-Ballonflüge starteten 2001 bis 2002 und 2003 bis 2004 auch eine Version von TIGER aus der Antarktis.
Als Rauch in seiner Forschungskarriere Fortschritte machte, half er TIGER, sich zum anspruchsvolleren SuperTIGER zu entwickeln. Am 8. Dezember 2012 startete SuperTIGER von der Antarktis zu seinem ersten Flug, kreuzte in einer durchschnittlichen Höhe von 125.000 Fuß und stellte einen neuen Rekord für den längsten wissenschaftlichen Ballonflug auf – 55 Tage. SuperTIGER flog auch 32 Tage lang von Dezember 2019 bis Januar 2020. Das Experiment maß die Häufigkeit von Elementen im Periodensystem bis hin zu Barium mit der Ordnungszahl 56.
Auf der Internationalen Raumstation wird die TIGER-Instrumentenfamilie zu neuen Höhen aufsteigen. Ohne die Störung durch die Erdatmosphäre wird das TIGERISS-Experiment Messungen mit höherer Auflösung durchführen und schwere Partikel aufnehmen, die mit einem wissenschaftlichen Ballon nicht möglich wären. Eine Sitzstange auf der Raumstation ermöglicht auch ein größeres physikalisches Experiment – 3,2 Fuß (1 Meter) auf einer Seite – als auf einen kleinen Satelliten passen könnte, was die potenzielle Größe des Detektors erhöht. Und das Experiment könnte mehr als ein Jahr dauern, verglichen mit weniger als zwei Monaten bei einer Ballonfahrt. Die Forscher planen, einzelne Elemente so schwer wie Blei mit der Ordnungszahl 82 messen zu können.
Sternmaterial; Sternzeug; Sternkram
Alle Sterne existieren in einem empfindlichen Gleichgewicht – sie müssen genug Energie abgeben, um ihrer eigenen Schwerkraft entgegenzuwirken. Diese Energie stammt aus der Verschmelzung von Elementen zu schwereren, einschließlich Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff, die für das Leben, wie wir es kennen, wichtig sind. Aber sobald ein riesiger Stern versucht, Eisenatome zu verschmelzen, erzeugt die Reaktion nicht genug Kraft, um die Schwerkraft zu bekämpfen, und der Kern des Sterns bricht zusammen.
Dies löst eine als Supernova bekannte Explosion aus, bei der Schockwellen all die schweren Elemente ausstoßen, die im Kern des Sterns entstanden sind. Die Explosion selbst erzeugt auch schwere Elemente und beschleunigt sie auf nahezu Lichtgeschwindigkeit – Teilchen, die Wissenschaftler als „kosmische Strahlung“ bezeichnen.
Aber das ist nicht die einzige Art, wie sich schwere Atome bilden können. Wenn ein superdichter Überrest einer Supernova, der als Neutronenstern bezeichnet wird, mit einem anderen Neutronenstern kollidiert, erzeugt ihre katastrophale Verschmelzung auch schwere Elemente.
TIGERISS wird nicht in der Lage sein, auf bestimmte Kollisionen von Supernovae oder Neutronensternen hinzuweisen, aber „würde Kontext hinzufügen, wie diese sich schnell bewegenden Elemente beschleunigt werden und durch die Galaxie reisen“, sagte Rauch.
Wie viel tragen also Supernovae und Neutronensternverschmelzungen jeweils zur Herstellung schwerer Elemente bei? „Das ist die interessanteste Frage, auf die wir hoffen können“, sagte Rauch.
„TIGERISS-Messungen sind der Schlüssel zum Verständnis, wie unsere Galaxie Materie erzeugt und verteilt“, sagte John Krizmanic, stellvertretender Hauptforscher von TIGERISS am Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland.
TIGERISS wird auch Informationen über die allgemeine Häufigkeit kosmischer Strahlung beitragen, die eine Gefahr für Astronauten darstellt.