Wie sieht das Innere des Kerns eines Kohlenstoffatoms aus? Eine neue Studie des Forschungszentrums Jülich, der Michigan State University und der Universität Bonn gibt die erste umfassende Antwort auf diese Frage. In der Studie simulierten die Forscher alle bekannten Energiezustände des Kerns.
Dazu gehört der rätselhafte Hoyle-Staat. Gäbe es ihn nicht, wären Kohlenstoff und Sauerstoff im Universum nur in winzigen Spuren vorhanden. Letztlich verdanken wir ihr also auch unsere eigene Existenz. Die Studie wurde jetzt in der Fachzeitschrift veröffentlicht Naturkommunikation.
Der Kern eines Kohlenstoffatoms besteht normalerweise aus sechs Protonen und sechs Neutronen. Doch wie genau sind sie angeordnet? Und wie verändert sich ihre Konfiguration, wenn der Kern mit energiereicher Strahlung beschossen wird? Seit Jahrzehnten sucht die Wissenschaft nach Antworten auf diese Fragen. Nicht zuletzt, weil sie den Schlüssel zu einem Rätsel liefern könnten, das Physikern seit langem Rätsel aufgibt: Warum gibt es im Weltraum überhaupt eine nennenswerte Menge Kohlenstoff – ein Atom, ohne das es kein Leben auf der Erde gäbe?
Schließlich gab es kurz nach dem Urknall nur Wasserstoff und Helium. Der Wasserstoffkern besteht aus einem einzelnen Proton, der von Helium aus zwei Protonen und zwei Neutronen. Alle schwereren Elemente sind erst viele Milliarden Jahre später durch alternde Sterne entstanden. In ihnen verschmolzen Heliumkerne unter enormem Druck und extrem hohen Temperaturen zu Kohlenstoffkernen. Dafür müssen drei Heliumkerne miteinander verschmelzen.
„Dass es dazu kommt, ist aber eigentlich sehr unwahrscheinlich“, erklärt Prof. Dr. Ulf Meißner vom Helmholtz-Institut für Strahlen- und Kernphysik der Universität Bonn und dem Institute for Advanced Simulation am Forschungszentrum Jülich. Der Grund: Die Heliumkerne haben zusammen eine viel höhere Energie als ein Kohlenstoffkern. Das bedeutet jedoch nicht, dass sie besonders schnell verschmelzen – im Gegenteil, es ist, als ob drei Menschen auf ein Karussell springen wollten. Da sie aber viel schneller laufen als die Karussellkurven, gelingt ihnen das nicht.
Simulation auf dem Supercomputer
Der britische Astronom Fred Hoyle postulierte daher bereits in den 1950er Jahren, dass die drei Heliumkerne zunächst zu einer Art Übergangszustand zusammenkommen. Dieser „Hoyle-Zustand“ hat eine sehr ähnliche Energie wie die Heliumkerne. Um im Bild zu bleiben: Es handelt sich um eine sich schneller drehende Version des Karussells, auf das die drei Passagiere daher problemlos aufspringen können.
In diesem Fall verlangsamt sich das Karussell auf seine normale Geschwindigkeit. „Nur über den Umweg über den Hoyle-Zustand können Sterne überhaupt Kohlenstoff in nennenswerter Menge erzeugen“, sagt Meißner, der auch Mitglied der transdisziplinären Forschungsbereiche „Modellierung“ und „Materie“ der Universität Bonn ist.
Vor etwa zehn Jahren gelang ihm gemeinsam mit Kollegen aus den USA, dem Forschungszentrum Jülich und der Ruhr-Universität Bochum erstmals die Simulation dieses Hoyle-Zustands. „Wir hatten damals schon eine Vorstellung davon, wie die Protonen und Neutronen des Kohlenstoffkerns in diesem Zustand angeordnet sind“, erklärt er. „Wir konnten jedoch nicht mit Sicherheit beweisen, dass diese Annahme wahr ist.“
Mithilfe einer fortschrittlichen Methode ist es den Forschern nun gelungen. Dies basiert im Wesentlichen auf dem Einschluss: In Wirklichkeit können sich die Protonen und Neutronen – die Nukleonen – überall im Weltraum befinden. Für ihre Berechnungen schränkte das Team diese Freiheit jedoch ein: „Wir haben unsere Kernteilchen auf den Knotenpunkten eines dreidimensionalen Gitters angeordnet“, erklärt Meißner. „Deshalb haben wir ihnen nur bestimmte, streng definierte Positionen erlaubt.“
Rechenzeit: 5 Millionen Prozessorstunden
Dank dieser Einschränkung war es möglich, die Bewegung von Nukleonen zu berechnen. Da sich Kernteilchen je nach Abstand voneinander unterschiedlich beeinflussen, ist diese Aufgabe sehr komplex. Die Forscher führten ihre Simulation zudem mehrere Millionen Mal mit leicht unterschiedlichen Startbedingungen durch.
Dadurch konnten sie erkennen, wo sich die Protonen und Neutronen am wahrscheinlichsten aufhalten. „Wir haben diese Berechnungen für alle bekannten Energiezustände des Kohlenstoffkerns durchgeführt“, sagt Meißner. Die Berechnungen wurden auf dem Supercomputer JEWELS am Forschungszentrum Jülich durchgeführt. Sie benötigten insgesamt etwa 5 Millionen Prozessorstunden, wobei viele tausend Prozessoren gleichzeitig arbeiteten.
Die Ergebnisse liefern effektiv Bilder vom Kohlenstoffkern. Sie beweisen, dass die Kernteilchen nicht unabhängig voneinander existieren. „Stattdessen sind sie in Gruppen von jeweils zwei Neutronen und zwei Protonen gebündelt“, erklärt der Physiker. Das bedeutet, dass die drei Heliumkerne auch nach der Fusion zum Kohlenstoffkern noch nachweisbar sind.
Je nach Energiezustand liegen sie in unterschiedlichen räumlichen Formationen vor – entweder in Form eines gleichschenkligen Dreiecks angeordnet oder wie ein leicht gebogener Arm, wobei Schulter, Ellenbogengelenk und Handgelenk jeweils von einem Cluster besetzt sind.
Die Studie ermöglicht es den Forschern nicht nur, die Physik des Kohlenstoffkerns besser zu verstehen, sondern, so Meißner abschließend: „Die von uns entwickelten Methoden lassen sich problemlos auch für die Simulation anderer Kerne nutzen und werden sicherlich zu völlig neuen Erkenntnissen führen.“
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Shihang Shen et al., Emergente Geometrie und Dualität im Kohlenstoffkern, Naturkommunikation (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-38391-y