Radioaktiver Schnappschuss

Mit dem ESA-Satelliten INTEGRAL wurden im Inneren der Milchstraße Regionen identifiziert, in denen neue Atomkerne produziert werden.

Unsere Welt und die darin vorhandenen Elemente sind "Sternenstaub", also erst im Inneren von Sternen durch Kernfusion entstanden. Für die bei diesen Prozessen entstehende Gammastrahlung ist unsere Milchstraße praktisch transparent. Jetzt ist es einem internationalen Astronomenteam um Roland Diehl vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching mit dem ESA-Satelliten INTEGRAL gelungen, die von radioaktivem Aluminium ²⁶Al ausgehende Strahlung den Zentralbereichen der Milchstraße zuzuordnen. Diese Messungen zeigen, dass die Nukleosynthese neuer Atomkerne galaxienweit in Sternentstehungsgebieten stattfindet. Aufgrund der neuen Messungen schätzen die Forscher, dass es derzeit allein von diesem sehr seltenen radioaktiven Isotop in der Milchstraße etwa das Dreifache der Sonnenmasse gibt. Um eine solche Menge dieses Isotops zu erzeugen, müssen sich in unserer Galaxie im Durchschnitt zwei Supernova-Explosionen pro Jahrhundert ereignet haben.

Abb.1: Radioaktiver Zerfall von instabilen Isotopen führt zur Aussendung von Gammastrahlen, deren Energie (= Farbe) von den Eigenschaften des Atomkerns diktiert ist. Solche Gammastrahlung wird mit dem ESA-Satelliten INTEGRAL seit Oktober 2002 gemessen. Radioaktive Isotope sind Nebenprodukte von kosmischen Kernfusionsprozessen, die im Innern massiver Sterne und in Supernova-Explosionen neue Atomkerne erzeugen. Im Licht des Isotops ²⁶Al von Aluminium, das im Mittel nach etwa einer Million Jahre zu Magnesium zerfällt, sieht man in der Milchstraße jene Regionen leuchten, in denen solche Atomkerne produziert werden. Im sichtbaren Licht hingegen sieht man wegen der interstellaren Staubwolken nur nahe Sterne, das Band der Milchstrasse jedoch ist weniger deutlich sichtbar, da sich der helle innere Teil unserer Sicht entzieht. (Quelle: Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik)

Radioaktive Isotope kennen wir im Alltag als Kontrastmittel bei medizinischen Untersuchungen oder bei der Strahlenbehandlung. Astrophysiker nutzen die Tatsache, dass radioaktive Isotope bei ihrem Zerfall durchdringende Gammastrahlen aussenden, die dann mit Satellitenteleskopen messbare Botschaften von kosmischen Kernfusionsreaktionen überbringen. So kündet die im Jahre 1978 entdeckte kosmische Gammastrahlung des Aluminium-Isotops ²⁶Al mit einer Halbwertszeit von etwa 720.000 Jahren davon, dass in dieser "Fast"-Gegenwart" neue Atomkerne erzeugt werden. Die Supernova 1987A brachte dann den direkten Beweis, als man erstmalig Gammalinien kurzlebiger Radioaktivität gemessen hat, die nur in dieser Supernova in unserer nahen Nachbargalaxie LMC entstanden sein konnte.

Astrophysiker des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik in Garching waren am Bau und Betrieb der ersten Himmelsdurchmusterung nach derartiger Gammastrahlung von kosmischer Radioaktivität beteiligt. Roland Diehl und seine Kollegen vom MPE konnten auf diese Weise in den 1990er-Jahren erstmals zeigen, dass diese relativ langlebige Radioaktivität über weite Bereiche entlang der Ebene der Milchstraße auftritt, dass also die Produktion neuer Atomkerne ein durchaus verbreitetes Phänomen ist.

Dies war für die Fachwelt überraschend, da man in Meteoriten aus dem frühen Sonnensystem Ende der 1970er-Jahre eindeutige Zerfallsspuren des gleichen Aluminium-Isotops ²⁶Al nachgewiesen hatte. Daraus hatten Astrophysiker seinerzeit gemeinsam mit Geophysikern und Mineralogen geschlossen, dass die Radioaktivität dieses Aluminium-Isotops eine ganz besondere Rolle bei der Entwicklung der Planeten des Sonnensystems gespielt haben muss: Die radioaktive Energie verhalf dem kometenartigen Material durch seine materialaufschmelzende Wärme zur Bildung von Gestein. Deshalb war in den 1980er-Jahren die Vermutung verbreitet, dass die Synthese des ²⁶Al-Isotops auf besondere Weise mit der Entwicklung des Sonnensystems verbunden sein musste. Es gab also auf der einen Seite ein Gammasignal von ²⁶Al aus der Galaxie, das die Entstehung von ²⁶Al innerhalb der letzten Jahrmillionen widerspiegelt, und auf der anderen Seite Spuren von bedeutenden Mengen des ²⁶Al-Isotops aus den Anfängen des Sonnensystems vor etwa 4,5 Milliarden Jahren.
Diese unterschiedlichen Befunde führten zu der Vermutung, dass ²⁶Al tatsächlich ein Nebenprodukt aktueller kosmischer Nukleosynthese-Prozesse sein könnte, die nach den gängigen Theorien der 1950er-Jahre in Sternen, Nova- und Supernova-Explosionen ablaufen sollten. Im frühen Sonnensystem vermutete man spezielle Bedingungen für eine besondere Anreicherung von ²⁶Al, mit weitreichenden Konsequenzen für unsere irdische Umgebung. Bis heute ist unklar, ob eher eine ganz in der Nähe befindliche Nukleosynthese-Quelle uns einen Extra-Bonus verschafft hat, oder ob bei der Bildung der Sonne hochenergetische Teilchenströme die metallischen Bestandteile des frühen Sonnennebels mit ²⁶Al anreichern konnten. Während also die Gammastrahlung vom Zusammenwirken zahlreicher kosmischer Nukleosynthese-Ereignisse in weiten Bereichen der Galaxie kündet, blieb die Frage unbeantwortet, welche Beträge dazu von speziellen Orten oder Gebieten der Galaxie kommen und wie viel von dem ²⁶Al-Isotop unsere Galaxie insgesamt enthält?

Eine Antwort darauf ermöglicht nun die neuartige Beobachtungstechnik, die mit dem ESA-Satelliten INTEGRAL zur Verfügung steht. Auf INTEGRAL befindet sich ein Spektrometer, das die Energie der Gammastrahlung von ²⁶Al mit bisher unerreichter Präzision messen kann. Möglich ist dies durch aus Kernphysik-Laboratorien bekannte Halbleiter-Detektoren, die bei tiefen Temperaturen unterhalb 90 K (entsprechend -183 Grad Celsius) betrieben werden und eine rauscharme Energiemessung bieten. Ein Satellitenteleskop mit einer Kamera aus solchen Detektoren wird an Bord von INTEGRAL seit Oktober 2002 im Weltall betrieben, in einer Höhe von bis zu 150.000 Kilometer über der Erde.

Der Betrieb dieses Spektrometers wird durch die kosmische Strahlung erschwert, die die Halbleiterstrukturen durch ihr Bombardement zerstört. Die französischen Kollegen vom CESR-Institut in Toulouse, die gemeinsam mit der Garchinger Gruppe und einigen anderen europäischen Instituten dieses Gamma-Spektrometer entwickelt haben, lösen das Problem mit einem Trick: Durch eine periodische Heizung im Weltall können sie die Strahlenschäden an den Detektoren so gering halten, dass das Gammaspektrometer seine Präzision über Jahre hinweg halten konnte. Da das Gerät nur in Zeitabständen von Minuten jeweils einzelne Gammastrahlen-Quanten von ²⁶Al registriert, dauert es viele Monate, bis das aufgesammelte Signal ein hinreichend präzises Spektrum zur Energiemessung liefert.

Abb.2: Die Linienverschiebungen aus dem Doppler-Effekt, wie sie sich aus Modellvorstellungen über die Verteilung von ²⁶Al-Quellregionen und der galaktischen Rotation ergeben (Farbe), stimmen mit den INTEGRAL-Messungen (Kreuz-Markierungen) überein. (Quelle: MPI für extraterrestrische Physik)

Roland Diehl und seine Kollegen haben nun entlang der Ebene der Milchstraße eine solche Energiemessung vorgenommen, und nach Variationen gesucht, die auf den Ursprungsort der Gammastrahlung hinweisen. Unsere Galaxie rotiert um ihren Zentralbereich, allerdings nicht starr wie etwa ein Rad um seine Achse: Vielmehr müssen innere Bereiche der Galaxie schneller umlaufen als außenliegende, um nicht durch das galaktische Schwerefeld ins Zentrum zu stürzen. Daher sieht man beim Blick ins Innere der Galaxie Teilbereiche, die sich scheinbar relativ schnell von der Sonne weg bzw. auf sie zu bewegen. Über den Doppler-Effekt führt diese Relativbewegung zu einer Farb-, also Energie-Verschiebung der Gammalinie radioaktiven ²⁶Al. Die von der Kernphysik sehr präzise vorgegebene Gammalinien-Energie von 1808,65 Kiloelektronenvolt wird also durch Doppler-Verschiebung charakteristisch verändert, wenn sich die Quellen der Gammastrahlung in diesen inneren Bereichen der rotierenden Galaxie befinden. Genau ein solches Signal haben die Garchinger Forscher in ihren INTEGRAL-Daten erkannt.

Dies zeigt, dass die Gammastrahlung vom radioaktiven Zerfall des ²⁶Al-Isotops uns tatsächlich aus den Zentralbereichen der Galaxie erreicht, und nicht etwa aus davor liegenden Regionen speziell erhöhter ²⁶Al-Produktion - denn diese würden nicht so schnelle Relativbewegungen zur Sonnenumgebung zeigen. Daraus schlussfolgern die Forscher: Wenn uns die ²⁶Al-Gammastrahlen offenbar aus dem Galaxieninnern erreichen, dann können wir die gemessene Intensität über unser geometrisches Verständnis der Milchstraßenform den jeweiligen Quell-Entfernungen zuordnen und so die Gesamtmenge an radioaktivem ²⁶Al abschätzen, die unsere Galaxie enthält.

Die Garchinger Forscher schätzen diese auf eine Menge, etwa drei Mal so groß wie die Masse der Sonne - und dies von einem Isotop, das eine extrem seltene Beimischung ist. So betrug der Anfangsanteil in der sich bildenden Sonne 5/100000, im Verhältnis zum normalen, stabilen Isotop des Aluminium ( ²⁷Al). Da Theoretiker aufgrund der Himmelskarte der ²⁶Al-Emission schon geschlossen hatten, dass galaxienweit nur die sehr massereichen Sterne wesentlich zur ²⁶Al-Produktion beitragen, die dann auch als Supernova explodieren, können die Garchinger Forscher damit auch die Anzahl der Supernovae bestimmen, die einer solchen galaktischen Menge von ²⁶Al entsprechen: Etwa zwei solcher Supernova-Explosionen massereicher Sterne müssten sich pro Jahrhundert im Mittel in der Galaxie ereignen, um die beobachtete ²⁶Al-Radioaktivität aufrecht zu erhalten. Diese Zahl stimmt wiederum recht gut mit aus der Beobachtung anderer Galaxien abgeschätzten Rate überein. Daher bestätigen die Gammalinien-Messungen der Garchinger Forscher sowohl die indirekten Schätzungen der Supernova-Häufigkeit als auch die Produktion von ²⁶Al in massereichen Sterne und Supernova-Explosionen.

Das INTEGRAL-Gammaspektrometer wird noch einige Jahre seinen Betrieb fortsetzen. Damit hoffen die Forscher ihre Messung noch präzisieren zu können. "Diese Gammastrahlen-Messungen ermöglichen Befunde über unsere Heimatgalaxie, die man im optischen Bereich wegen der interstellaren Gaswolken nur sehr mühsam gewinnen könnte", betont Projektleiter Roland Diehl.

An den INTEGRAL-Messungen beteiligt waren Wissenschaftler des Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, des Centre d'Etude Spatiale des Rayonnements und Université Paul Sabatier, Toulouse/Frankreich, des DSM/DAPNIA/Service d'Astrophysique, CEA Saclay, Gif-Sur-Yvette/Frankreich, der Clemson University, Clemson/USA, der ESA/ESTEC, Noordwijk/Niederlande sowie der Space Sciences Lab., Berkeley/USA.

Quelle: MPG/\[RD\]

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Roland Diehl et al., Radioactive ²⁶Al and massive stars, Nature 439, 45 (2005).
  http://dx.doi.org/10.1038/nature04364 
• Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V.:
  http://www.mpg.de 
• Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching:
  http://www.mpe.mpg.de 
• INTEGRAL:
  http://www.mpe.mpg.de/gamma/instruments/integral/www/integral.html 
• Zusätzliche Informationen und Abbildungen:
  http://www.mpe.mpg.de/gamma/science/lines/26Al/26Al_german.html