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NUKLEOSYNTHESE
Astrophysik im Untergrund
Redaktion / Pressemitteilung des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf
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26. August 2014

Die Astrophysik wird ein hartnäckiges Problem nicht los: Das Element Lithium kommt nicht in den Mengen in Sternen vor, die rechnerisch für die Lithium-Entstehung direkt nach dem Urknall vorhergesagt werden. Doch die Berechnungen stimmen - das konnte jetzt erstmals auch experimentell im Untertagelabor im italienischen Gran-Sasso-Bergmassiv bestätigt werden.

Erste Sterne

Lithium entstand, so die Theorie, im Universum direkt nach dem Urknall und damit noch vor den ersten Sternen. Bild: NASA/JPL-Caltech

 Lithium ist neben Wasserstoff und Helium eines der drei Elemente, die nicht erst innerhalb von Sternen erzeugt werden müssen. Stattdessen - so die Theorie - sind sie schon früh durch die sogenannte primordiale Nukleosynthese entstanden. Das heißt: Im nur wenige Minuten alten Universum haben sich Neutronen und Protonen zu den Kernen der ersten drei Elemente verbunden. Am Laboratory for Underground Nuclear Astrophysics (LUNA) wurde die Kernentstehung von Lithium nun von einem internationalen Forscherteam nachgestellt. Daran beteiligt waren auch Wissenschaftler der Technischen Universität Dresden und des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR).

In dem italienischen Untertagelabor feuerten die Wissenschaftler Heliumkerne auf schweren Wasserstoff (sogenanntes Deuterium), um Energien wie kurz nach dem Urknall zu erreichen. So sollte gemessen werden, wie viel Lithium unter Bedingungen entsteht, die denen im Frühstadium des Universums ähneln. Das Ergebnis des Experiments: Die Daten bestätigten die theoretischen Vorhersagen, die mit den beobachteten Lithium-Konzentrationen im Universum nicht vereinbar sind.

"Zum ersten Mal überhaupt konnte mit unserem Experiment die Lithium-6-Produktion in einem Teil des Urknall-Energiebereichs untersucht werden", erklärt Daniel Bemmerer vom HZDR. Lithium-6 (drei Neutronen, drei Protonen) ist eines der beiden stabilen Isotope des Elements. Die Entstehung von Lithium-7, welches über ein zusätzliches Neutron verfügt, wurde bereits 2006 von Bemmerer am LUNA untersucht.

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Mit den neuen Ergebnissen bleibt das Lithium-Problem somit eine harte Nuss: Einerseits sprechen nun alle Labor-Ergebnisse der Astrophysiker dafür, dass die Theorie der primordialen Nukleosynthese korrekt ist. Andererseits zeigen viele Beobachtungen von Astronomen, dass die ältesten Sterne in unserer Milchstraße nur halb so viel Lithium-7 enthalten wie vorhergesagt.

Aufsehenerregende Berichte von schwedischen Forschern, die in solchen Sternen außerdem deutlich mehr Lithium-6 entdeckten als vorhergesagt, müssen wohl auch aufgrund der neuen LUNA-Daten noch einmal überprüft werden. "Sollten in Zukunft wieder ungewöhnliche Lithium-Konzentrationen beobachtet werden, wissen wir dank der neuen Messung, dass die Erklärung nicht in der Urknall-Nukleosynthese liegen kann," so Bemmerer.

Wichtig für die Untersuchungen war auch die besondere Lage von LUNA: Im Bergmassiv Gran Sasso d’Italia halten 1.400 Meter Felsgestein störende kosmische Strahlung fern. Zusätzlich ist das Labor in eine Bleihülle gekleidet. Nur durch eine solch gute Abschirmung können die seltenen Wechselwirkungen zwischen den Kernen präzise erfasst werden.

Schon im nächsten Jahr soll aber auch in Dresden ähnliche Forschung möglich sein. Dann wollen die Technische Universität Dresden und das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf das Beschleunigerlabor "Felsenkeller" in Betrieb nehmen. In dem ehemaligen Brauerei-Keller schirmen zwar nur 45 Meter Fels die natürliche Strahlung ab, dies reiche laut Bemmerer vom HZDR für viele Messungen aber bereits aus. Zudem habe das neue Labor einen mehr als zwölfmal so starken Teilchenbeschleuniger zu bieten: "Dort können wir dann unsere Experimente erweitern und die Entstehung der Elemente in höheren Energiebereichen erforschen."

Die aktuellen Ergebnisse wurden jetzt in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.

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Experimente zur Elemententstehung nach dem Urknall. Diskutieren Sie mit anderen Lesern im astronews.com Forum.
siehe auch
Sterne: Neuer Teilchenbeschleuniger im Untergrundlabor? - 26. April 2010
Links im WWW
Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)
TU Dresden
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