Eliana Masha nimmt Heliumbrennen ins Visier
Nachwuchsgruppe für Nukleare Astrophysik nimmt im Untertagelabor Felsenkeller des HZDR die Arbeit auf.
Im Inneren massereicher Sterne laufen Kernreaktionen ab, die maßgeblich bestimmen, in welchem Verhältnis Kohlenstoff und Sauerstoff im Universum entstehen. Damit werden auch die chemischen Voraussetzungen für Leben geschaffen. Doch gerade diese Phase der Sternentwicklung, das Heliumbrennen, ist bis heute nur unzureichend verstanden. Um zentrale Kernreaktionsraten präziser zu bestimmen, startete zum März am HZDR die neue Nachwuchsgruppe HEARTS. Die Helmholtz-Gemeinschaft fördert das Projekt über fünf Jahre mit 1,75 Millionen Euro.
Mit Helium Burning Experiments for Astrophysics (HEARTS) baut das HZDR seine Forschung im Bereich Nukleare Astrophysik aus. Das Team, zu dem neben der Gruppenleiterin Eliana Masha ein Postdoc und drei Doktorand*innen im Untertagelabor Felsenkeller gehören, untersucht die Heliumbrennphase der Sternentwicklung, in der Heliumkerne fusionieren. Dabei entstehen vor allem Kohlenstoff und Sauerstoff. Das Verhältnis dieser Elemente beeinflusst, wie ein Stern altert und endet. Es wirkt sich zugleich auf die chemische Entwicklung ganzer Galaxien aus.
Trotz jahrzehntelanger Forschung bestehen bei den maßgeblichen Reaktionsraten des Heliumbrennens noch Unsicherheiten. Insbesondere das Kohlenstoff-Sauerstoff-Verhältnis lässt sich bislang nicht mit der nötigen Genauigkeit bestimmen. Diese Unsicherheiten erschweren präzise Vorhersagen in Modellen zur Entwicklung massereicher Sterne, zu Supernova-Explosionen und zur Entstehung der chemischen Elemente im Universum.
Eine Schlüsselrolle spielt bei HEARTS eine Reaktion, die in der Fachwelt als „heiliger Gral der Nuklearen Astrophysik“ gilt. Dabei verschmilzt ein Heliumkern mit einem Kohlenstoffkern zu Sauerstoff, wobei ein energiereiches Gamma-Quant ausgesendet wird. Wie häufig dies unter stellaren Bedingungen geschieht, bestimmt maßgeblich das kosmische Verhältnis der Häufigkeiten von Kohlenstoff und Sauerstoff.
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Um Prozesse wie diesen experimentell zu erfassen, simulieren die Forscher*innen die Bedingungen im Sterninneren. An einem Teilchenbeschleuniger wird dazu ein Strahl aus Kohlenstoff- oder anderen leichten Atomkernen auf ein Helium-Target geschossen. Kommt es zur Reaktion, entstehen Gammastrahlen oder – bei anderen Prozessen – freie Neutronen oder andere Teilchen, die mit hochempfindlichen Detektoren registriert werden. Aus der Zahl dieser Ereignisse lässt sich schließlich die Reaktionswahrscheinlichkeit ableiten.
Weil die relevanten Kernreaktionen bei den vergleichsweise niedrigen Teilchenenergien im Inneren von Sternen nur sehr selten stattfinden, erfolgen die Messungen abgeschirmt von kosmischer Strahlung tief unter der Erde. So liegt etwa der Felsenkeller, die einzige Untertageeinrichtung für Nukleare Astrophysik in Deutschland, unter einer 45 Meter dicken Felsschicht. Mit der Infrastruktur verfügen HZDR und TU Dresden über eine einzigartige Plattform für hochpräzise Experimente auf diesem Gebiet. HEARTS wird mit Experimenten im italienischen Untergrundlabor Gran Sasso beginnen, gefolgt von Messkampagnen im Felsenkeller und am Speicherring CRYRING der GSI.
Neben der Kohlenstoff-Sauerstoff-Reaktion untersucht das Team weitere Prozesse des Heliumbrennens, bei denen unter anderem Neon und Magnesium entstehen. Darüber hinaus werden die Forscher*innen Kernreaktionen untersuchen, bei denen Neutronen freigesetzt werden – zentrale Bestandteile für die Bildung von Elementen, die schwerer als Eisen sind – und den bislang noch unklaren astrophysikalischen Ursprung von Fluor erforschen. Durch die systematische Untersuchung dieser verschiedenen Reaktionen verfolgt HEARTS das Ziel, offene Fragen zu klären und die Ergebnisse in astrophysikalische Modelle zu integrieren.
Geleitet wird HEARTS von Eliana Masha. „Sterne und andere kosmische Phänomene haben mich schon immer fasziniert“, sagt sie. „Was mich an der Nuklearen Astrophysik begeistert, ist, dass sie das große Ganze, also unser Universum, mit den kleinsten Teilchen in Verbindung bringt. Erkenntnisse darüber, was im Inneren von Sternen auf atomarer Ebene geschieht, dienen in erster Linie der Grundlagenforschung, können aber auch bei der Suche nach Exoplaneten und potenziell lebensfreundlichen Welten eine wichtige Rolle spielen.“
Masha wuchs in Albanien auf und studierte Physik in Italien. Während ihres Masterstudiums kam sie 2016 erstmals nach Dresden und nahm am Sommerstudenten-Programm des HZDR teil. Es folgten die Promotion an der Universität Mailand, ein Stipendium des Deutschen Akademischen Austauschdienstes (DAAD) sowie von 2023 bis 2025 die Tätigkeit am HZDR als Stipendiatin der Alexander-von-Humboldt-Stiftung. [HZDR / dre]
