Nukleosynthese: Der Ursprung der Elemente. Teil 2: Durch Neutroneneinfang zu den schwersten Atomkernen

Dieser Artikel ist Abonnenten mit Zugriffsrechten für diese Ausgabe frei zugänglich.

Nukleosynthese: Der Ursprung der Elemente. Teil 2: Durch Neutroneneinfang zu den schwersten Atomkernen

Sterne sind kosmische Hochöfen: Sie produzieren die Stoffe, aus denen wir und alle Materie in unserer Umgebung bestehen. Doch die während ihrer Entwicklung ablaufenden Kernfusionen können die Herkunft der schwersten Elemente nicht erklären. Die aktive Forschung im Zusammenspiel von Kern- und Astrophysik hat die explosiven Wege erkundet, denen wir die Hälfte der Elemente von Eisen bis Blei und Wismut und alle noch schwereren Elemente verdanken.

Franz Käppeler, Gabriel Martinez-Pinedo und Friedrich-Karl Thielemann

Verschmelzende Neutronensterne — © NSF/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet / Verheerende Kollision / CC BY 4.0 CC BY (Ausschnitt)

Etwa 98 Prozent aller sichtbaren Materie im heutigen Universum bestehen aus Wasserstoff und Helium, den beiden leichtesten Elementen. Alle übrigen Atomsorten machen nur einen kleinen Anteil aus, sind aber für unsere Lebensgrundlagen von existenzieller Bedeutung. Woher diese schweren Elemente stammen, war lange Zeit unbekannt. Erst in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts waren verschiedene Teildisziplinen der Physik so weit entwickelt, dass die Wissenschaftler in kleinen Schritten einer Lösung dieser Frage näher kamen.

Eine wichtige Erkenntnis gelang in den 1930er Jahren, als Physiker wie Hans Bethe (1906 – 2005) und Carl Friedrich von Weizsäcker (1912 – 2007) die Energiequelle unserer Sonne entschlüsselten: In ihrem Innern verschmelzen bei hohen Temperaturen und Drücken die Kerne von Wasserstoff zu Helium. Mit solchen Kernfusionsreaktionen, bei denen Energie frei wird, ist auch der Aufbau von schwereren Elementen bis hin zum Eisen zu erklären.

Aber Elemente, die noch schwerer sind als Eisen, woher stammen sie? ...

Download (Abo)

Franz Käppeler, Gabriel Martinez-Pinedo und Friedrich-Karl Thielemann

Franz Käppeler leitete bis zu seiner Emeritierung 2007 am Institut für Kernphysik der Universität Karlsruhe eine Arbeitsgruppe zur Erforschung der Elementsynthese in Roten Riesen. Er ist aktiv an einem Experiment zur Neutronenphysik am CERN beteiligt.

Gabriel Martinez-Pinedo ist Professor am Institut für Kernphysik der Technischen Universität Darmstadt und Leiter der Abteilung Kernstruktur und Astrophysik am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt.

Friedrich-Karl Thielemann ist Professor Emeritus für theoretische Physik der Universität Basel. Sein Hauptarbeitsgebiet ist die explosive Nukleosynthese, das heißt die Elemententstehung in stellaren Explosionen und deren Einfluss auf die Entwicklung von Galaxien.

Kennen Sie schon …

Sterne und Weltraum – Artemis II: Wie erfolgreich war die Mission zum Mond?

Mit dem Artemis-Programm, das 2022 mit der unbemannten Testmission Artemis I begann, strebt die NASA eine erneute Landung von Menschen auf dem Mond an. Mit der nun bemannten und erfolgreich abgeschlossenen Mondumrundung von Artemis II hat sie einen weiteren Meilenstein erreicht – noch nie waren Menschen weiter ins All vorgedrungen. Wir zeigen die Highlights der Mission und geben einen Ausblick. Weiter berichten wir über die Pläne der ESA bis 2035 ein Interferometer zur Messung von Gravitationswellen im Weltraum zu installieren – LISA, sowie von der darüber hinaus schon geplante Weiterentwicklung LISAmax. In unserem Praxisteil lesen Sie über die in der Amateurszene noch wenig verbreitete Spektroheliografie zur Sonnenbeobachtung und deren Möglichkeiten.

Sterne und Weltraum – Alpha Centauri: Wie viele Planeten hat unser Nachbar?

Das Alpha Centauri System besteht aus dem hellen Sternenpaar Alpha Centauri A und B sowie dem lichtschwachen Roten Zwerg Proxima Centauri. Besonders interessant wurde dieses nahe Sternsystem, als Hinweise auf mögliche Exoplaneten auftauchten – deren Existenz wurde jedoch durch wechselnde Beobachtungsergebnisse immer wieder infrage gestellt. Darüber hinaus: Der Rückblick auf die Kometen des vergangenen Jahres, verlief der Urknall völlig anders als gedacht und wie entstanden die unterschiedlichen Sterne in Kugelsternhaufen?

Spektrum - Die Woche – Die wilden Kühe von Tschernobyl

In Tschernobyl ist unfreiwillig ein einzigartiges, weitgehend menschenleeres Naturparadies entstanden. Lesen Sie, wie sich das Leben dort über die Jahre erholt hat. Darüber hinaus: Interview zur Rettungsaktion für den Buckelwal und wie funktioniert Quantenphysik in einem sich ausdehnenden Universum?

Literaturhinweise

Burbidge, E. M. et al.: Synthesis of the Elements in Stars. In: Review of Modern Physics 29, S. 547 – 654, 1957

Cameron, A. G. W.: Nuclear Reactions in Stars and Nucleogenesis. In: Publications of the Astronomical Society of the Pacific 69, S. 201 – 222, 1957

Käppeler, F. et al.: The s-Process: Nuclear Physics, Stellar Models, and Observations. In: Review of Modern Physics 83, S. 157 – 193, 2011

Martinez-Pinedo, G.: Supernova Evolution and Nucleosynthesis. In: Physik Journal, Nr. 8–9/2008, S. 51 – 56

Martinez-Pinedo, G. et al.: Der Beginn einer Multimessenger-Ära. In: Physik Journal, Nr. 12/2017, S. 20 – 22

Rosswog, S. et al.: Detectability of Compact Binary Merger Macronovae. In: Classical and Quantum Gravity 34, 104001, 2017

Thielemann, F.-K. et al.: Nucleosynthesis in Supernovae. In: Space Science Reviews 214:62, 2018

Winteler, C. et al.: Magnetorotationally Driven Supernovae as the Origin of Early Galaxy r-Process Elements? In: The Astrophysical Journal Letters 750, L22, 2012

Wu, M.-R. et al.: Production of the Entire Range of r-Process Nuclides by Black Hole Accretion Disc Outflows from Neutron Star Mergers. In: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 463, S. 2323 – 2334, 2016

Schreiben Sie uns!

Beitrag schreiben

Beitrag darf veröffentlicht werden

Wir freuen uns über Ihre Beiträge zu unseren Artikeln und wünschen Ihnen viel Spaß beim Gedankenaustausch auf unseren Seiten! Bitte beachten Sie dabei unsere Kommentarrichtlinien.

Tragen Sie bitte nur Relevantes zum Thema des jeweiligen Artikels vor, und wahren Sie einen respektvollen Umgangston. Die Redaktion behält sich vor, Zuschriften nicht zu veröffentlichen und Ihre Kommentare redaktionell zu bearbeiten. Die Zuschriften können daher leider nicht immer sofort veröffentlicht werden. Bitte geben Sie einen Namen an und Ihren Zuschriften stets eine aussagekräftige Überschrift, damit bei Onlinediskussionen andere Teilnehmende sich leichter auf Ihre Beiträge beziehen können. Ausgewählte Zuschriften können ohne separate Rücksprache auch in unseren gedruckten und digitalen Magazinen veröffentlicht werden. Vielen Dank!

Artikel zum Thema

Nukleosynthese: Der Ursprung der Elemente. Teil 1: Vom Wasserstoff bis zum Eisen

Sie sind die Bausteine von allen Stoffen um uns herum und auch von unseren eigenen Körpern: die chemischen Elemente. Doch woher stammen sie, und wie haben sie sich gebildet?

Welt der Wissenschaft: Kernfusion: Die Energiequellen der Sterne. Teil 2: Junge Forscher enträtseln den Sonnenofen

In den 1930er Jahren war die Kernphysik weit fortgeschritten, so dass sie sich erstmals auf die Vorgänge im Innern von Sternen anwenden ließ.

Infografik: GW170817 im Überblick

Was bedeuten die Kürzel GW170817 und GRB 170817A, die im Zusammenhang mit der Entdeckung genannt werden? Die Buchstaben bezeichnen die Art eines gemessenen …

Multimessenger-Astronomie: Erster Nachweis: Verschmelzende Neutronensterne

Mit Gravitationswellen und in allen Spektralbereichen wurde die Verschmelzung von Neutronensternen beobachtet - ein Durchbruch in der Astronomie.