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Neutronensterne: Kosmische Schmiede der schweren Elemente

Die massereichsten Atome entstehen bei gewaltigen Ereignissen im Weltraum. Welche Abläufe dafür genau verantwortlich sind, war lange unklar – bis Teleskope die Folgen des energiereichen ­Zusammenstoßes zweier Sternüberreste enthüllten.
Die Illustration zeigt Neutronensterne, die zusammenstoßen, verschmelzen und die Raumzeit erschüttern

Wo immer wir hinschauen: Kleinste Bruchstücke von Sternen umgeben uns, und zum Teil bestehen wir sogar selbst daraus. Etwa die Hälfte der chemischen Elemente, die schwerer sind als Eisen, stammen aus einigen der heftigsten Sternexplosionen. Aus deren Gas und Staub gehen später neue Himmelskörper hervor. Auch auf der Erde hat sich das Leben im Lauf von 3,7 Milliarden Jahren Evolution mit Hilfe solcher besonders massereicher Atome entwickelt. Jod ist beispielsweise ein Bestandteil unserer Schilddrüsenhormone. Acantharia genannte Vertreter des Mikroplanktons im Meer besitzen komplizierte Mineralskelette, die sie mit dem Element Strontium bilden. Außerdem sind die gewichtigsten Atome aus unserer modernen Technik nicht mehr wegzudenken. Chips in Smartphones und Bildschirme in Laptops funktionieren dank Gallium. Gold ist nicht nur als Schmuck beliebt, sondern dient als Beschichtung der Spiegel des James Webb Space Telescope, weil es im infraroten Bereich des Spektrums gut reflektiert.

Dazu, wie diese und viele weitere der schwersten Bausteine unserer Welt entstanden sind, gibt es seit geraumer Zeit verschiedene wissenschaftliche Erklärungen. Die Modelle waren in ihren Details allerdings lange heftig umstritten. Das änderte sich erst 2017. In jenem Jahr gestatteten astronomische Beobachtungen zum ersten Mal einen direkten Blick auf eine spezielle Art von Nukleosynthese. Der Ablauf beginnt mit einem der seltsamsten Objekte im Universum: einem Neutronenstern …

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Sterne und Weltraum – Raumzeit: Experimente zur Quantennatur

Die Relativitätstheorie Albert Einsteins ist das Meisterwerk zur Beschreibung der Schwerkraft. Seit Jahrzehnten steht aber die Frage im Raum, ob die Gravitation auf submikroskopischen Längenskalen modifiziert werden muss. Gibt es quantenhafte Austauschteilchen, die Gravitonen? In unserem Titelbeitrag stellen wir Überlegungen vor, wie man experimentell eine Quantennatur der Raumzeit testen könnte. Im zweiten Teil unseres Artikels zur Urknalltheorie beleuchten wir alternative Ansätze zur Dunklen Energie: das Local-Void- und das Timescape-Modell. Außerdem: Teil zwei unserer Praxistipps für die Astrofotografie mit dem Smartphone – Mond und Planeten im Fokus, die Ordnung im Chaos des Dreikörperproblems und woher stammen erdnahe Asteroiden?

Spektrum der Wissenschaft – Eine Theorie von allem: Lassen sich Quantenphysik und Schwerkraft vereinen?

Lassen sich Quantenphysik und Schwerkraft vereinen? In der aktuellen Ausgabe der PMT haben wir Beiträge für Sie zusammengestellt, in denen Forscherinnen und Forscher über die Ergebnisse ihrer Suche nach einer fundamentalen Theorie unserer Welt berichten. Entstanden ist eine erkenntnisreiche Sammlung an Beiträgen über die Quantennatur der Raumzeit, denkbaren Experimenten zum Nachweis von Gravitonen, Schwarzen Löchern, der Theorie der Quantengravitation, teleparalleler Gravitation und vielem mehr. Lesen Sie, welche Fortschritte es in den letzten Jahren gab, die Gesetze der Quantenwelt mit den geometrischen Konzepten von Raum und Zeit zu vereinigen, und welche Hürden dabei noch zu überwinden sind.

Sterne und Weltraum – Weltformel: Lässt sich die Quantenphysik mit der Schwerkraft vereinen?

Seit einem Jahrhundert versuchen Fachleute, die Quantenphysik mit der Schwerkraft zu vereinen. Die Geschichte ist durchzogen von vielen Durchbrüchen, Wendungen und Streitigkeiten. Wir geben Ihnen einen Überblick über die Entwicklungen der wichtigsten Ansätze. Weiter informieren wir Sie über den neuen interstellaren Besucher 3I/ATLAS, der im Juli 2025 auf seiner Durchreise durch unser Sonnensystem entdeckt wurde, und stellen ein prämiertes »Jugend forscht«-Projekt vor, bei dem Schüler mittels öffentlicher Daten und eigener Beobachtungen einen Exoplaneten nachweisen konnten. Darüber hinaus: Die erste Frau auf einem Astronomielehrstuhl und, weshalb es im Oriontrapez durch veränderliche Sterne zu seltenen Himmelsschauspielen kommt. Ein spannender Blick in Astronomie und Forschung.

  • Quellen

Chen, H.-Y. et al.: The relative contribution to heavy metals production from binary neutron star mergers and neutron star–black hole mergers. The Astrophysical Journal Letters 920, 2021

Curtis, S. et al.: Nucleosynthesis in outflows from black hole-neutron star merger disks with full GRνRMHD. ArXiv 2212.10691, 2022

Hayashi, K. et al.: General-relativistic neutrino-radiation ­magnetohydrodynamic simulation of seconds-long black hole- neutron star mergers. Physical Review D 106, 2022

Lattimer, J. M., Schramm, D. N.: Black-hole-neutron-star collisions. Astrophysical Journal 192, 1974

Metzger, B. D. et al.: Electromagnetic counterparts of compact object mergers powered by the radioactive decay of r-process nuclei. MNRAS 406, 2010

Rastinejad, J. C. et al.: A kilonova following a long-duration gamma-ray burst at 350 Mpc. Nature 612, 2022

Sneppen, A. et al.: Spherical symmetry in the kilonova AT2017gfo/GW170817. Nature 614, 2023

Symbalisty, E., Schramm, D. N.: Neutron star collisions and the r-process. Astrophysical Letters 22, 1982

Watson, D. et al.: Identification of strontium in the merger of two neutron stars. Nature 574, 2019

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