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Astronomiegeschichte: Helium – Sonnenelement aus dem Urknall. Teil 2: Ursprung und Anwendungen

Das im Urknall entstandene Helium ist bis heute auf der Sonne und einigen äußeren Planeten erhalten geblieben. Auf der jungen Erde allerdings verschwand es schnell. Doch irdisches Helium wurde später in radioaktiven Zerfällen nachgebildet. Gleich nach der Entdeckung des Heliums versuchten Forscher es stark abzukühlen und zu verflüssigen. Dabei traten erstaunliche neue Eigenschaften von zutage.
Falschfarbenbild eines Gas- und StaubnebelsLaden...

Die Entstehung der Elemente im Urknall, heute als Big-Bang-Nukleosynthese oder primordiale Nukleosynthese bezeichnet, wurde erstmals in einem kurzen Artikel in der Zeitschrift Physical Review am 1. April 1948 behandelt. Trotz des Erscheinungsdatums war die Arbeit kein Scherz, denn sie stützte sich auf neue Beobachtungsdaten. Den »Ursprung der chemischen Elemente« vermuteten darin Ralph Alpher, Hans Bethe und George Gamow in einem heißen und dichten Anfang der Welt, der mit einem hochkomprimierten Neutronengas (»ylim«) begonnen haben sollte. Das Weitere spielte sich nach folgendem Drehbuch ab: Durch die Expansion des Universums sinkt der Druck, die Neutronen zerfallen in Protonen und Elektronen. Je ein Proton und ein Neutron bilden zusammen schließlich einen Deuteriumkern, der auch Deuteron genannt wird. Da die elektrisch neutralen Neutronen leichter in die positiv geladenen Kerne eindringen können, werden durch weitere Neutroneneinfänge immer schwerere Kerne aufgebaut. Auf diese Art und Weise bildet sich nach und nach das ganze Perio­densystem. Die so berechneten relativen Häufigkeiten der Elemente, unter Berücksichtigung der Betazerfälle instabiler Kerne, passten gut zu den im Kosmos beobachteten Werten (siehe Bild rechts).

Maßgeblich für diesen Erfolg war, dass in die Berechnungen die richtigen Neu­tronen-Einfangquerschnitte aller Elemente einflossen. Diese waren wenige Jahre zuvor bei der Entwicklung US-amerikanischer Atomwaffen im Manhattan-Projekt gemessen worden und fanden kurz nach dem Krieg ihren Weg von der geheimen militärischen Forschung in die astrophysikalischen Theorien. Einer der drei Autoren, Hans Bethe, hatte hierbei gar nicht mitgewirkt, aber der humorvolle Gamow – ein vor Stalins Terror aus der Sowjetunion geflüchteter Ukrainer – wollte die Autorenliste wie den Anfang des griechischen Alphabets klingen lassen: Alpha, Beta, Gamma. Das hat sicher erhöhte Aufmerksamkeit auf die Arbeit gezogen, lud aber auch schnell die ersten Kritiker ein …

Februar 2020

Dieser Artikel ist enthalten in Sterne und Weltraum Februar 2020

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  • Literaturhinweise

Galli, D., Palla, F.: The dawn of chemistry. Ann. Rev. Astron. Astrophys. 51, 2013

Johnson, J. A.: Populating the periodic table: Nucleosynthesis of the elements. Science 363, 2019

Langanke, K.,Wiescher, M.: Der Ursprung der Elemente, Teil 1: Vom Wasserstoff bis zum Eisen. Sterne und Weltraum 11/2018, S. 26–36

Lemke, D.: Die Energiequellen der Sterne, Teil 3: Der Weg zum Fusionsreaktor auf der Erde. Sterne und Weltraum 3/2018, S. 36–47

Mendelson, K.: The quest for absolute zero. Taylor & Francis Ltd, London 1977

Mühlbauer, G.:Cepheiden – Meilensteine im Universum. Sterne und Weltraum 10/2003, S. 48–49

Weinberg, S.: Die ersten drei Minuten. Deutscher Taschenbuchverlag München 1980