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Neutrino-Astronomie: Erstmals sekundärer Fusionsprozess der Sonne beobachtet

Neutrinos bestätigen eine theoretische Vorhersage über eine seltene Fusionsreaktion. Die Daten liefern Informationen darüber, wie viele schwere Elemente die Sonne enthält.
Innenansicht des Borexino-Detektors.

Anhand von Neutrinos aus dem Inneren der Sonne haben Fachleute erstmals den sekundären Fusionsprozess in der Sonne direkt nachgewiesen. Wie das Team des Neutrinoexperiments Borexino in der nun in »Nature« veröffentlichten Zusammenfassung der Ergebnisse berichtet, trägt der CNO-Prozess etwa ein Prozent der gesamten Fusionsleistung der Sonne bei. Das entspricht dem theoretisch erwarteten Wert.

Der größte Teil der Sonnenenergie stammt aus der direkten Verschmelzung von Wasserstoff zu Helium; beim CNO-Zyklus nehmen Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff in einem Kreislauf nach und nach Wasserstoffkerne auf und spalten Heliumkerne wieder ab. Während der Laufzeit des Experiments von Juli 2016 bis Februar 2020 zählte der Detektor im Mittel etwa sieben Neutrinos pro Tag, die auf jenen Mechanismus zurückgehen.

Entscheidend für den Nachweis der Neutrinos aus diesem Prozess war, Störsignale aus anderen Quellen, zum Beispiel radioaktivem Zerfall im Detektor, möglichst genau zu bestimmen. Während die Neutrinos aus der direkten Verschmelzung von Wasserstoffkernen sich deutlich vom Hintergrundrauschen abheben, liefert der CNO-Zyklus ein Signal, das nur ebenso stark oder sogar schwächer ist als weitere Signale im gleichen Energiebereich – besonders jenes vom Zerfall des Nuklids 210Bi. Wie viele Neutrinos also tatsächlich von den beteiligten Kernen 13N, 15O und 17F stammen, ermittelte das Borexino-Team, indem es genau analysierte, welcher Anteil der Signale höchstens aus anderen Quellen stammt.

Neutrinos, die beim CNO-Prozess entstehen, geben Aufschluss über die schweren Elemente im Sonneninneren, die man in der Astrophysik als Metalle bezeichnet. Genaue Daten über den Anteil dieser Metalle könnten deswegen dazu beitragen, einen Widerspruch zwischen einigen gemessenen Eigenschaften der Sonne und den Vorhersagen von Sonnenmodellen aufzuklären. Außerdem erhoffen sich Fachleute aus solchen Daten weitere Informationen über die Entwicklung der Sonne und anderer Sternen im Laufe ihrer Existenz. Insbesondere deutlich massereichere Sterne ziehen einen beträchtlichen Teil ihrer Fusionsleistung aus dem CNO-Prozess.

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