In Sternen geboren
Der Reichtum an chemischen Elementen geht auf Jahrmilliarden der Nukleosynthese zurück.
Der menschliche Körper besteht zu 56 Prozent aus Sauerstoff und zu 28 Prozent aus Kohlenstoff – doch welche kosmischen Prozesse produzierten diese Elemente? Und das Silizium, welches letztlich das Lesen dieses Artikels auf einem Computer ermöglicht? Andreas Koch, STFC Fellow an der University of Leicester, zeichnet in seinem Überblicksartikel in der Februar-Ausgabe des Physik Journal die fortschreitende Anreicherung des Universums mit schweren Elementen nach.
Die Überlagerung von Satellitenaufnahmen der etwa 140 000 Lichtjahre großen Andromeda-Galaxie machen verschiedene Stadien des kosmischen Materiekreislaufs sichtbar: Submillimeterwellen (orange) zeigen Staub- und Gaswolken, die sich gerade zu neuen Sonnen zusammenziehen, Röntgenstrahlung (blau) lässt Explosionswolken von Supernovae erkennen. (Bildquelle: ESA/J. Fritz, U Gent/W. Pietsch, MPE)
Kurze Zeit nach dem Urknall gab es im Kosmos lediglich Wasserstoff, Helium und Spuren von Lithium und Beryllium. Die erste Generation von Sternen, die sich aus dieser Mixtur bildete, unterschied sich dadurch erheblich von den Sternen, welche die Astronomen heute in unserer Umgebung beobachten. Wobei diese Häufigkeitsbestimmungen alles andere als einfach sind. Denn Teleskope können nicht tief ins Innere einer Sonne blicken und deshalb nur die Elemente anhand ihrer Spektrallinien vermessen, die an der Oberfläche vorliegen. So haben unlängst die Werte für den Anteil zweier wichtiger Elemente in der Sonne signifikante Revisionen erfahren: Der Eisenanteil wurde um 17, der Sauerstoffanteil gar um 75 Prozent nach unten korrigiert.
Doch wie gelangen die Isotope, die im Laufe eines Sternlebens durch Kernfusion, die Astrophysiker sprechen von „Brennen“, im Inneren entstehen, letztendlich in die Weiten des Alls, wo sie als Baumaterial für neue Sterne zur Verfügung stehen? Dies hängt von der Masse und Zusammensetzung des jeweiligen Sterns ab. Die ersten, metallarmen Sterne waren ungleich massereicher als die heutigen Generationen. Verfügt ein solcher „Kernreaktor“ über mehr als etwa die achtfache Menge als unsere Sonne, kann er durch Brennprozesse Elemente bis hin zum Eisen synthetisieren. Am Ende vergeht er als Supernova in einer gewaltigen Explosion, welche die Metalle in einem Umkreis von mehr als hundert Lichtjahren verstreuen kann. Kleinere Sterne hingegen detonieren nicht und schließen in ihrem letztendlichen Zustand als Weißer Zwerg die Metalle ein. Sofern sie nicht einen Partner haben, der ihnen so lange Materie aus seiner Hülle aufbürdet, bis der Zwerg eine kritische Masse überschreitet – und dann ebenfalls als Supernova explodiert.
Somit gibt es einen ständigen Materiekreislauf: Sterne bilden sich aus Gaswolken, durchlaufen eine von ihrer Geburtsmasse diktierte Entwicklung und sterben am Ende gegebenenfalls in Supernovae, durch die sie ihre Umgebung mit den synthetisierten Elementen anreichern. Aus diesen entstehen wieder neue Sonnen und der Kreis schließt sich. So lange also noch ausreichend Gas vorhanden ist, um Sternentstehung zu ermöglichen, wird die jeweilige Umgebung – sei es eine Galaxie, ein Sternhaufen oder eine andere Region im Universum – chemisch angereichert, und der dortige Gehalt an schweren Elementen wächst. Bis genügend Baumaterial vorhanden ist, um neben Sternen auch Planeten mit einer festen Oberfläche zu bilden, auf denen sich vielleicht Leben entwickelt, das dann versucht herauszufinden, woher denn die Stoffe stammen, aus denen es besteht.
Oliver Dreissigacker
