Die Herkunft des Goldes

Der Ursprung der chemischen Elemente im Universum ist eines der ungelösten Rätsel in den Natur­wissenschaften. Eine Kollaboration von zwei nuklearen Astro­physikern der Technischen Universität Darmstadt – Dirk Martin und Almudena Arcones – und zwei Kern­physikern der Michigan State University – Witold Nazarewicz und Erik Olsen – fand nun heraus, auf welche Weise die Eigenschaften der Kern­wechsel­wirkung die Entstehung der schwersten Elemente in unserem Universum beeinflussen.

Die schweren Elemente in unserem Sonnensystem – wie zum Beispiel Gold und Uran – entstanden durch eine komplexe Verkettung von Kern­reaktionen und -zerfällen, auch bekannt als der „rapide Neutronen­einfangs­prozess“ (r-Prozess). Dieser Mechanismus benötigt extrem hohe Neutronen­dichten sowie kurz­lebige, exotische Isotope, die sich in derzeit existierenden Beschleuniger­anlagen nicht erzeugen lassen. Momentan stammen die einzigen Informationen über diese Bedingungen aus theoretischen Modellen, welche auf extreme Extra­polationen zu Bereichen in der Nuklid­karte angewiesen sind, für die es keine experimentellen Daten gibt. Die beiden favorisierten astro­physikalischen Szenarien für den r-Prozess sind katastrophale Kernkollaps-Supernova-Explosionen und die Verschmelzung von Neutronen­sternen. In ihrer Arbeit sagen die Wissen­schaftler die Herstellung der Elemente im r-Prozess mithilfe von verschiedenen Modellen für die Kern­wechsel­wirkung voraus.

In ihrem neuen Artikel bestimmen die Wissenschaftler zum ersten Mal systematische Unsicherheiten für vorhergesagte Häufigkeits­verteilungen, die direkt mit der Massen­modellierung zusammen­hängen, für realistische astro­physikalische Szenarien.

Das Ergebnis wird in Zukunft nützlich sein, um Regionen in der Nuklid­karte zu identifizieren, die kritisch für die Entstehung der schweren Elemente sind. Die beiden gerade im Bau befindlichen Beschleuniger­anlagen FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) in Darmstadt und FRIB (Facility for Rare Isotope Beams) in Michigan werden auf diesem Gebiet weltführend sein und wichtige Messungen zur Über­prüfung dieser Vorher­sagen durchführen. Während es immer noch nicht möglich ist, zu bestimmen, ob beispiels­weise das Gold im Schmuck oder das Dysprosium im Motor eines Elektro­fahrzeugs aus kollidierenden Neutronen­sternen oder einer Supernova-Explosion stammt, sind die Wissenschaftler dem Verständnis des astro­physikalischen Ursprungs näher denn je.

TU Darmstadt / DE