Nach seiner „Geburt“ im Urknall bestand das Universum hauptsächlich aus Wasserstoff- und wenigen Heliumatomen. Dies sind die leichtesten Elemente im Periodensystem. Fast alle Elemente, die schwerer als Helium sind, entstanden in den 13,8 Milliarden Jahren zwischen dem Urknall und heute.
Viele dieser schwereren Elemente sind in Sternen durch Kernfusion entstanden. Allerdings werden dadurch nur Elemente erzeugt, die so schwer sind wie Eisen. Die Entstehung schwererer Elemente würde Energie verbrauchen, anstatt sie freizusetzen.
Um die Gegenwart dieser schwereren Elemente zu erklären, muss man Phänomene finden, die sie erzeugen können. Ein Ereignistyp, der diese Erklärung liefert, ist ein Gammastrahlenausbruch (GRB)– die stärkste Explosionsart im Universum. Diese können mit einer Trillion (10 gefolgt von 18 Nullen) mal der Leuchtkraft unserer Sonne ausbrechen und werden vermutlich durch verschiedene Ereignistypen verursacht.
GRBs können in zwei Kategorien unterteilt werden: lange und kurze Ausbrüche. Lange GRBs stehen mit dem Tod massereicher und schnell rotierender Sterne in Zusammenhang. Dieser Theorie zufolge bündelt die schnelle Rotation das Material, das beim Kollaps eines massereichen Sterns ausgestoßen wird, in schmale Jets, die sich mit extrem hoher Geschwindigkeit bewegen.
Die kurzen Ausbrüche dauern nur wenige Sekunden. Man geht davon aus, dass sie durch die Kollision zweier Neutronensterne verursacht werden – kompakte und dichte „tote“ Sterne. Im August 2017 trug ein wichtiges Ereignis dazu bei, diese Theorie zu stützen. Ligo Und Jungfrauzwei Gravitationswellendetektoren in den USA, entdeckten eine Signal, das anscheinend von zwei Neutronensternen stammte es kommt zu einer Kollision.
Ein paar Sekunden später wurde ein kurzer Gammastrahlenausbruch namens GRB 100817A registriert, der aus derselben Himmelsrichtung kam. Einige Wochen lang waren praktisch alle Teleskope der Erde auf dieses Ereignis gerichtet, um die Folgen des Ereignisses in einem beispiellosen Versuch zu untersuchen.
Die Beobachtungen ergaben eine kilonova am Ort von GRB 170817A. Eine Kilonova ist ein schwächerer Verwandter einer Supernova-Explosion. Interessanterweise gab es Hinweise darauf, dass Bei der Explosion entstanden viele schwere ElementeDie Autoren einer Studie in Natur Die Analyse der Explosion ergab, dass diese Kilonova offenbar zwei verschiedene Kategorien von Trümmern bzw. Auswurfmaterial erzeugte. Eine bestand hauptsächlich aus leichten Elementen, die andere aus schweren Elementen.
Wir haben bereits erwähnt, dass durch Kernspaltung nur Elemente entstehen können, die so schwer sind wie Eisen im Periodensystem. Aber es gibt einen anderen Prozess, der erklären könnte, wie die Kilonova noch schwerere Elemente erzeugen konnte.
Schneller Neutroneneinfangprozessoder r-Prozess, ist der Prozess, bei dem die Kerne schwererer Elemente wie Eisen viele Neutronenpartikel in kurzer Zeit einfangen. Ihre Masse nimmt dann schnell zu, wodurch viel schwerere Elemente entstehen. Damit der r-Prozess funktioniert, braucht man allerdings die richtigen Bedingungen: hohe Dichte, hohe Temperatur und eine große Anzahl verfügbarer freier Neutronen. Gammastrahlenausbrüche schaffen diese notwendigen Bedingungen.
Allerdings sind Verschmelzungen zweier Neutronensterne, wie die, die die Kilonova GRB 170817A verursachte, sehr seltene Ereignisse. Tatsächlich könnten sie so selten sein, dass sie eine unwahrscheinliche Quelle für die zahlreichen schweren Elemente sind, die wir im Universum haben. Aber was ist mit langen GRBs?
Eine aktuelle Studie untersuchte insbesondere einen langen Gammastrahlenausbruch, GRB 221009. Dies wurde genannt das BOOT— der hellste aller Zeiten. Dieser GRB wurde als Puls intensiver Strahlung registriert, der am 9. Oktober 2022 durch das Sonnensystem fegte.
BOAT löste eine ähnliche astronomische Beobachtungskampagne aus wie die Kilonova. Dieser GRB war 10-mal energiereicher als der vorherige Rekordhalter und so nah an uns, dass seine Einfluss auf die Erdatmosphäre war am Boden messbar und mit einem großen Sonnensturm vergleichbar.
Zu den Teleskopen, die die Folgen des BOAT-Ausbruchs untersuchten, gehörte das James Webb Space Telescope (JWST). Es beobachtete den GRB etwa sechs Monate nach seiner Explosion, um nicht vom Nachglühen des ersten Ausbruchs geblendet zu werden. Die Daten, die das JWST sammelte, zeigten, dass das Ereignis trotz seiner außergewöhnlichen Helligkeit durch eine lediglich durchschnittliche Supernova-Explosion.
Tatsächlich haben frühere Beobachtungen anderer langer GRBs gezeigt, dass es keinen Zusammenhang zwischen der Helligkeit des GRBs und der Größe der damit verbundenen Supernova-Explosion gibt. BOAT scheint hier keine Ausnahme zu sein.
Das JWST-Team ermittelte auch die Anzahl der schweren Elemente, die während der BOAT-Explosion entstanden. Sie fanden keine Hinweise auf Elemente, die durch den r-Prozess entstanden. Das ist überraschend, da man theoretisch davon ausgeht, dass die Helligkeit eines langen GRB mit den Bedingungen in seinem Kern zusammenhängt, höchstwahrscheinlich einem schwarzen Loch. Bei sehr hellen Ereignissen – insbesondere einem so extremen wie dem BOAT-Ereignis – sollten die Bedingungen für das Auftreten des r-Prozesses günstig sein.
Diese Ergebnisse legen nahe, dass Gammastrahlenausbrüche nicht die erhoffte entscheidende Quelle der schweren Elemente im Universum sein könnten. Stattdessen muss es da draußen noch eine oder mehrere Quellen geben.
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