Experimentelle Daten helfen, das Rätsel um die Entstehung schwerer Elemente in Sternen zu lösen

Wie entstehen Sterne und wie sterben sie? Wie produzieren sie die Energie, die sie Milliarden von Jahren lang brennen lässt? Wie entstehen die Elemente, die wir heute beobachten? Endgültige Antworten auf diese Fragen haben die Wissenschaftler bei ihrem Bestreben, die Prozesse zu verstehen, die die chemische Zusammensetzung des Universums bestimmen, noch immer nicht gefunden.

Auch wenn die genauen Details der Reaktionsprozesse unklar sind, ist das Verständnis, wo und wie Elemente gebildet werden und wie die Sterne entstehen, für ein umfassendes Bild der Geschichte, Struktur und Entwicklung des Universums von entscheidender Bedeutung.

Kürzlich hat ein internationales Team, darunter Forscher des Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE), neue experimentelle Daten erhalten, die Aufschluss darüber geben, wie einige der schwersten Elemente des Universums in Sternen entstehen. Diese Entdeckung gibt erste Antworten auf grundlegende Fragen zu unserer Herkunft.

Die Ergebnisse sind veröffentlicht im Journal Briefe zur körperlichen Überprüfung.

Insbesondere erhielt das Team die ersten experimentellen Einschränkungen für die Messung der Geschwindigkeit des Prozesses, bei dem Neutronen mit einem Kern des Isotops Barium-139 kollidieren und verschmelzen, um Barium-140 zu bilden. Isotope sind Mitglieder einer Elementfamilie, die alle die gleiche Anzahl an Protonen, aber unterschiedliche Zahlen an Neutronen haben. Die Reaktionsgeschwindigkeit von Barium-139 bei der Umwandlung in Barium-140 war eine der größten Unsicherheitsquellen in Vorhersagemodellen, die zur Bestimmung des Vorhandenseins von Isotopen schwerer Elemente in Sternen verwendet wurden.

Unter der Leitung von Artemis Spyrou, Professor am Department für Physik und Astronomie der Michigan State University und der Facility for Rare Isotope Beams (FRIB), und Dennis Mücher, Professor am Institut für Kernphysik der Universität zu Köln, profitierte das Team von der Nutzung von CARIBU, einer hochentwickelten Quelle radioaktiver Ionen am Argonne Tandem Linac Accelerator System (ATLAS), einer Nutzereinrichtung des DOE Office of Nuclear Physics in Argonne.

„Es ist nun klar, dass die Synthese von Elementen in Sternen komplexer ist als bisher angenommen“, sagte Spyrou. „Nur durch diese Art von Messung werden wir in der Lage sein, die Beiträge verschiedener astrophysikalischer Prozesse voneinander zu trennen.“

Wissenschaftler wissen seit langem, dass die schweren Elemente in Sternen wie Barium, Lanthan und Cäsium durch schnelle und langsame Nukleosyntheseprozesse entstehen. Unter Nukleosynthese versteht man die Bildung neuer Atomkerne – der Zentren von Atomen, die aus Protonen und Neutronen bestehen – oder Elemente durch verschiedene Prozesse im Universum.

Der schnelle oder „r“-Prozess, der in Sekundenschnelle abläuft, ist vermutlich für die Nukleosynthese in explodierenden Sternen wie Supernovas und den kleinen, dichten Sternen verantwortlich, die nach ihrem Kollaps entstehen. Der langsame oder „s“-Prozess hingegen ist vermutlich hauptsächlich für die Nukleosynthese in hell leuchtenden älteren Sternen verantwortlich, die sich dem Ende ihres Lebens nähern.

Relativ neue astronomische Beobachtungen deuten auf einen Nukleosyntheseweg hin, der sich von den schnellen und langsamen Prozessen unterscheidet. Da einige Sterne, von denen man annahm, dass sie arm an Metall sind, ungewöhnliche Häufigkeitsmuster bestimmter Elemente zeigten, schlugen Wissenschaftler einen Zwischen- oder „i“-Prozess vor, um dieses Phänomen zu erklären.

„Am faszinierendsten finde ich, dass wir diese verschiedenen Elemente hier auf der Erde finden und oft, ohne es zu wissen, fast täglich mit ihnen interagieren“, sagte Mücher. „Wir verstehen jedoch immer noch nicht ganz, woher sie kommen. Jetzt wissen wir besser, dass der i-Prozess irgendwie damit zusammenhängt.“

Mithilfe der CARIBU-Quelle bei ATLAS konnten Wissenschaftler Bariumisotope untersuchen, wie sie Neutronen einfangen und schließlich Lanthan bilden – ein Nebenprodukt des Zerfalls von Barium-139 – und ein wichtiger Indikator des i-Prozesses. Die Bestimmung dieser Neutroneneinfangrate ist jedoch besonders schwierig, da die Halbwertszeit von Barium-139 nur 83 Minuten beträgt.

Mithilfe bestimmter experimenteller Techniken haben Forscher herausgefunden, dass es möglich ist, diese Rate indirekt mit einem Strahl des Isotops Cäsium-140 zu bestimmen. Dieses Isotop zerfällt radioaktiv in Barium-140 und sendet dabei Gammastrahlen aus, die die Forscher mit dem SuN-Detektor (SuN = Summierender Naal) des FRIB, einem Totalabsorptions-Gammastrahlenspektrometer, erkennen und messen konnten. Durch die genauere Erfassung der Daten für diesen Prozess konnten die Forscher indirekt die Reaktionsrate von Barium-139 bei der Umwandlung in Barium-140 und die Wahrscheinlichkeit berechnen, dass bei dieser Reaktion Lanthan entsteht.

„Die verwendete Technik erfordert radioaktive Strahlen von relativ hoher Intensität und sehr hoher Reinheit“, sagte Guy Savard, Direktor von ATLAS und Argonne Distinguished Fellow. „CARIBU bietet diese Bedingungen für eine ganze Reihe neutronenreicher Isotope.“

Ausgestattet mit diesem neu gewonnenen Wissen können die Forscher die Erkenntnisse dieser Studie auf andere Anwendungsfälle bei CARIBU und dessen in naher Zukunft geplantem Upgrade nuCARIBU anwenden. Dort können sie ihr Verständnis davon vertiefen, wie die Neutroneneinfangung für neutronenreiche Isotope im i-Prozess funktioniert. Schließlich hoffen sie, einen direkteren Weg zu finden, den Prozess zu untersuchen.

„Im Herbst werden wir eine große experimentelle Kampagne durchführen, die von nuCARIBU ermöglicht wird. Dabei werden wir wieder eine Reihe von Messungen durchführen, damit wir den Anwendungsbereich dieser Technik erweitern und viele Fälle untersuchen und versuchen können, die Systematik zu verstehen, wie dieser Neutroneneinfang bei neutronenreichen Isotopen funktioniert“, sagte Savard. „Dies ist nur der erste Schritt“, fügte er hinzu.

Zu den Autoren zählen neben Spyrou, Mücher und Savard PA Denissenkov, F. Herwig, EC Good, G. Balk, HC Berg, DL Bleuel, JA Clark, C. Dembski, PA DeYoung, B. Greaves, M. Guttormsen, C. Harris, AC Larsen, SN Liddick, S. Lyons, M. Markova, MJ Mogannam, S. Nikas, J. Owens-Fryar, A. Palmisano-Kyle, G. Perdikakis, F. Pogliano, M. Quintieri, AL Richard, D. Santiago-Gonzalez, MK Smith, A. Sweet, A. Tsantiri und M. Wiedeking.