News: Was die Welt nicht zusammenhält
Eine Laune der Natur bewahrt unsere Sonne vor allzu schnellem Altern und uns davor, in naher Zukunft geröstet zu werden: Atomkerne, die aus fünf oder acht Teilchen bestehen, sind nicht stabil. Warum eigentlich?
© (Ausschnitt)
Zehn Milliarden Jahre, das ist die Galgenfrist, welche die Sonne dem Leben auf der Erde gibt - und die Hälfte davon ist bereits verstrichen. Aber wir können noch froh sein. Denn gäbe es ein stabiles Beryllium-8-Atom, die Frist wäre sogar noch kürzer. Die nächste Stufe der Sonnenfusion, die Verbrennung des Abfallprodukts Helium, würde dann schon viel früher einsetzen - mit verheerenden Konsequenzen für das Leben. Die Sonne würde sich ausdehnen und die Temperaturen auf der Erde unerträglich heiß werden.
Aber zum Glück muss das Helium erst durch einen Flaschenhals, wenn es groß und stark werden will: Zwei Helium-Kerne reichen für eine erfolgreiche Fusion nicht aus, da das entstehende Beryllium-8 sofort wieder zerfällt. Erst drei Helium-Kerne ergeben ein stabiles Kohlenstoff-12-Isotop. Allerdings läuft diese Reaktion erst bei viel höheren Temperaturen an, als sie derzeit in unserem Gestirn herrschen. Erst wenn der Vorrat an Wasserstoff im Innern der Sonne zu zehn bis fünfzehn Prozent verbraucht ist, der Strahlungsdruck nicht mehr ausreicht, um die Schwerkraft auszugleichen und sich der Stern infolgedessen zusammenzieht, wird er heiß genug werden, um Helium zu verbrennen.
Bis dahin haben wir aber noch etwas Zeit, um uns zum Beispiel den Kopf darüber zu zerbrechen, warum die Natur eigentlich eine solche Abneigung gegen stabile Kerne aus acht - wie bei Beryllium-8 - und fünf Teilchen beziehungsweise Nukleonen hat. Und genau diese fundamentale Frage konnten Robert Wiringa und Steven Pieper vom Argonne National Laboratory genauer beleuchten, indem sie das Geschehen im Innern der zehn leichtesten Atome am Computer simulierten.
Dabei weiß eigentlich niemand so ganz genau, wie sich die Teilchen im Innern der Nukleonen – die Quarks -, die maßgeblich an den Kräften im Atomkern beteiligt sind, verhalten. Es gibt zwar eine Theorie - die Quantenchromodynamik - aber bisher lassen sich allein daraus die Wechselwirkungen nicht berechnen. "Wir müssen uns Kräfte ausdenken, um die Daten richtig zu beschreiben", so Wiringa. Es handelt sich dabei um Daten, die über Jahrzehnten hinweg bei der Kollision von Nukleonen in Teilchenbeschleunigern gesammelt wurden.
Tatsächlich gelang es den Forschern damit, nicht nur erstmals realistisch das Geschehen im Innern der Kerne zu simulieren, sie fanden auch den Übel- beziehungsweise Wohltäter, der Atome aus fünf und acht Körpern instabil macht: Der Spin - anschaulich die Eigendrehung der Nukleonen -, der den Teilchen magnetische Eigenschaften verleiht, ist dafür verantwortlich.
Denn es gibt Anteile der Kernkraft, die abhängig vom Spin und der Bewegung der Nukleonen zueinander sind. Und als ob das nicht schon kompliziert genug ist, steuert er außerdem noch weitere Kräfte bei, die - analog zur Wechselwirkung zwischen zwei Magneten - von der Position der Nukleonen zueinander abhängen. Aber diese Kräfte, so stellten Wiringa und sein Kollege fest, sind auch der Grund für die Instabilität des Beryllium-8. Als die Forscher genau diese in ihrer Simulation ausschalteten, wurden das Beryllium-Isotop und die anderen aus fünf und acht Körpern bestehenden Atome auf einmal stabil.
So führt das komplexe Innenleben der Atome also dazu, dass die Welt manchmal nicht im Innersten zusammenhält - und dass der Sonne ein langes Leben beschieden ist. Wer weiß, was sich noch für Erkenntnisse im Kern der Dinge verbergen mögen?
Aber zum Glück muss das Helium erst durch einen Flaschenhals, wenn es groß und stark werden will: Zwei Helium-Kerne reichen für eine erfolgreiche Fusion nicht aus, da das entstehende Beryllium-8 sofort wieder zerfällt. Erst drei Helium-Kerne ergeben ein stabiles Kohlenstoff-12-Isotop. Allerdings läuft diese Reaktion erst bei viel höheren Temperaturen an, als sie derzeit in unserem Gestirn herrschen. Erst wenn der Vorrat an Wasserstoff im Innern der Sonne zu zehn bis fünfzehn Prozent verbraucht ist, der Strahlungsdruck nicht mehr ausreicht, um die Schwerkraft auszugleichen und sich der Stern infolgedessen zusammenzieht, wird er heiß genug werden, um Helium zu verbrennen.
Bis dahin haben wir aber noch etwas Zeit, um uns zum Beispiel den Kopf darüber zu zerbrechen, warum die Natur eigentlich eine solche Abneigung gegen stabile Kerne aus acht - wie bei Beryllium-8 - und fünf Teilchen beziehungsweise Nukleonen hat. Und genau diese fundamentale Frage konnten Robert Wiringa und Steven Pieper vom Argonne National Laboratory genauer beleuchten, indem sie das Geschehen im Innern der zehn leichtesten Atome am Computer simulierten.
Dabei weiß eigentlich niemand so ganz genau, wie sich die Teilchen im Innern der Nukleonen – die Quarks -, die maßgeblich an den Kräften im Atomkern beteiligt sind, verhalten. Es gibt zwar eine Theorie - die Quantenchromodynamik - aber bisher lassen sich allein daraus die Wechselwirkungen nicht berechnen. "Wir müssen uns Kräfte ausdenken, um die Daten richtig zu beschreiben", so Wiringa. Es handelt sich dabei um Daten, die über Jahrzehnten hinweg bei der Kollision von Nukleonen in Teilchenbeschleunigern gesammelt wurden.
Tatsächlich gelang es den Forschern damit, nicht nur erstmals realistisch das Geschehen im Innern der Kerne zu simulieren, sie fanden auch den Übel- beziehungsweise Wohltäter, der Atome aus fünf und acht Körpern instabil macht: Der Spin - anschaulich die Eigendrehung der Nukleonen -, der den Teilchen magnetische Eigenschaften verleiht, ist dafür verantwortlich.
Denn es gibt Anteile der Kernkraft, die abhängig vom Spin und der Bewegung der Nukleonen zueinander sind. Und als ob das nicht schon kompliziert genug ist, steuert er außerdem noch weitere Kräfte bei, die - analog zur Wechselwirkung zwischen zwei Magneten - von der Position der Nukleonen zueinander abhängen. Aber diese Kräfte, so stellten Wiringa und sein Kollege fest, sind auch der Grund für die Instabilität des Beryllium-8. Als die Forscher genau diese in ihrer Simulation ausschalteten, wurden das Beryllium-Isotop und die anderen aus fünf und acht Körpern bestehenden Atome auf einmal stabil.
So führt das komplexe Innenleben der Atome also dazu, dass die Welt manchmal nicht im Innersten zusammenhält - und dass der Sonne ein langes Leben beschieden ist. Wer weiß, was sich noch für Erkenntnisse im Kern der Dinge verbergen mögen?
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