Die ersten Sterne des Universums waren monströse Bestien. Sie bestehen nur aus Wasserstoff und Helium und könnten 300-mal massereicher sein als die Sonne. In ihnen bildeten sich die ersten schwereren Elemente, die am Ende ihres kurzen Lebens in den Kosmos entlassen wurden. Sie waren die Keime aller Sterne und Planeten, die wir heute sehen. Eine neue Studie veröffentlicht in Wissenschaft legt nahe, dass diese alten Vorfahren mehr als nur die natürlichen Elemente geschaffen haben.
Mit Ausnahme von Wasserstoff, Helium und einigen Spuren anderer leichter Elemente sind alle Atome, die wir um uns herum sehen, durch astrophysikalische Prozesse wie Supernovae, Kollisionen von Neutronensternen und Kollisionen hochenergetischer Teilchen entstanden. Gemeinsam schufen sie schwerere Elemente bis hin zu Uran-238, dem schwersten natürlich vorkommenden Element. Uran entsteht bei Supernova- und Neutronensternkollisionen durch den sogenannten R-Prozess, bei dem Neutronen schnell von Atomkernen eingefangen werden, um zu einem schwereren Element zu werden. Der r-Prozess ist komplex, und wir wissen immer noch nicht, wie er abläuft oder wie hoch seine obere Massengrenze sein könnte. Diese neue Studie legt jedoch nahe, dass der R-Prozess in den allerersten Sternen viel schwerere Elemente mit Atommassen von mehr als 260 erzeugt haben könnte.
Das Team untersuchte 42 Sterne in der Milchstraße, deren elementare Zusammensetzung gut verstanden ist. Anstatt einfach nach dem Vorhandensein schwererer Elemente zu suchen, untersuchten sie die relative Häufigkeit von Elementen in allen Sternen. Sie fanden heraus, dass die Häufigkeit einiger Elemente wie Silber und Rhodium nicht mit der vorhergesagten Häufigkeit der bekannten R-Prozess-Nukleosynthese übereinstimmt. Die Daten deuten darauf hin, dass es sich bei diesen Elementen um Zerfallsreste von viel schwereren Kernen mit mehr als 260 Atommasseneinheiten handelt.
Neben dem R-Prozess des schnellen Neutroneneinfangs gibt es zwei weitere Möglichkeiten, schwere Atomkerne zu erzeugen: den P-Prozess, bei dem neutronenreiche Kerne Protonen einfangen, und den S-Prozess, bei dem ein Keimkern ein Neutron einfangen kann. Aber keines davon kann zu einem schnellen Massenaufbau führen, der für Elemente jenseits von Uran erforderlich ist. Und nur in den hypermassereichen Sternen der ersten Generation hätte die R-Prozess-Nukleosynthese solche Elemente erzeugen können.
Die Studie legt daher nahe, dass der R-Prozess Elemente erzeugen könnte, die weit über Uran hinausgehen, und dies wahrscheinlich auch in den ersten Sternen des Universums der Fall war. Wenn es für einige dieser ultraschweren Elemente keine Insel der Stabilität gibt, werden sie längst in die natürlichen Elemente zerfallen sein, die wir heute sehen. Aber die Tatsache, dass es sie einmal gab, wird Wissenschaftlern helfen, den R-Prozess und seine Grenzen besser zu verstehen.
Mehr Informationen:
Ian U. Roederer et al., Elementhäufigkeitsmuster in Sternen weisen auf die Spaltung von Kernen hin, die schwerer als Uran sind. Wissenschaft (2023). DOI: 10.1126/science.adf1341. An arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2312.06844