Neutronenstern-Verschmelzungen erzeugen schwere Elemente
Neuer Beschleuniger FAIR soll kurzlebige neutronenreiche Kerne produzieren.
Lange ist darüber spekuliert worden, ob Verschmelzungen von Neutronensternen die bislang unbekannte astrophysikalische Quelle für schwere Elemente wie Gold, Platin und Uran sind. Ein internationales Forscherteam wies 2010 darauf hin, dass die Synthese von schweren Elementen in einer Neutronensternverschmelzung zur Emission eines eindeutigen elektromagnetischen Signals führt. Ein solches Signal konnte jetzt im Zusammenhang mit dem Gammastrahlungsausbruch und Gravitationswellen-
Abb.: Künstlerische Darstellung der Verschmelzung von zwei Neutronensternen. (Bild: NSF / LIGO / Sonoma State U. / A. Simonnet)
Das Signal zeigt das vorhergesagte charakteristische Muster und bestätigt somit, dass die astrophysikalische Quelle der schweren Elemente endlich gefunden ist. Dieser wissenschaftliche Durchbruch stellt das künftige Beschleunigerzentrum FAIR – Facility for Antiproton and Ion Research –, das zur Zeit am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt entsteht, noch stärker in den wissenschaftlichen Fokus. Denn dort können erstmals die kurzlebigen neutronenreichen Kerne, die das elektromagnetische Signal erzeugen, hergestellt und studiert werden.
Vor sechzig Jahren wurden die wesentlichen Prozesse, die zur Entstehung der Elemente im Universum führen, erstmals beschrieben. Seitdem ist es gelungen, die astrophysikalischen Quellen fast aller Prozesse zu identifizieren. Die Ausnahme bildet der r-Prozess, der etwa die Hälfte der Elemente schwerer als Eisen produziert. Dieser Prozess verlangt eine extrem hohe Dichte an Neutronen. Unter diesen Bedingungen verlaufen Neutroneneinfänge an Kernen schneller als die konkurrierenden Beta-
Fast gleichzeitig wurde vorgeschlagen, dass der radioaktive Zerfall des frisch synthetisierten Materials ein elektromagnetisches Signal erzeugen würde. Die erste realistische Vorhersage dieses Signals wurde 2010 von einem internationalen Team unter Leitung von Gabriel Martinez-
Abb.: Am künftigen Beschleunigerzentrum FAIR können Bedingungen für weitere Forschung rund um Neutronensterne simuliert werden. (Bild: ion42)
Mehrere Beobachtungen deuten darauf hin, dass das beobachtete elektromagnetische Signal von radioaktiven Zerfällen von r-Prozesskernen erzeugt wird. Die Zeitabhängigkeit des Signals entspricht derjenigen, die erwartet wird, wenn die Energie aus dem Zerfall eines großen Ensembles zerfallender Kerne stammt. Ferner zeigt die Farbentwicklung des Signals, dass eine große Zahl von r-Prozesskernen aus leichteren um die Ladungszahl Z=50 in schwerere Kerne umgewandelt wurden. Es wird geschätzt, dass das Ereignis GW170817 ungefähr 0,06 Sonnenmassen von r-Prozessmaterial, darunter das Zehnfache der Erdmasse an Gold und Uran, produziert hat.
Die LIGO- und VIRGO-Kollaborationen gehen davon aus, dass ab 2019, wenn die Detektoren ihre volle Kapazität erreicht haben, Neutronensternverschmelzungen etwa einmal pro Woche beobachtet werden. Das wird eine vollständig neue Epoche im Verständnis der Nukleosynthese schwerer Elemente einläuten, die auch zum Verständnis der Beobachtungen hochpräzise kernphysikalische Daten, vor allem von neutronenreichen Kernen, aber auch von den Eigenschaften von Kernmaterie verlangen.
Deshalb ist es vorteilhaft, dass mit FAIR der Beschleunigerkomplex, der benötigt wird, um diese Daten zu beschaffen, schon in Darmstadt gebaut wird. Erste Resultate werden bereits von den im Jahr 2018 durchgeführten FAIR-
GSI / RK