Lithium6 Synthese

[schufti]

Wieso wird nach Helium als nächstes Kohlenstoff in Sternen erzeugt?
Warum wird entsteht nicht Lithium6 aus Deuterium und Helium?

 

[albertus]

Warum überspringen Sterne den Weg über Lithium und landen direkt beim Kohlenstoff?​

Die stellare Nukleosynthese folgt nicht dem Wunschbild einer einfachen additiven Kette, sondern der knallharten Logik der Bindungsenergie pro Nukleon. Damit ein Fusionsprozess innerhalb eines Sterns nicht nur stattfindet, sondern auch energetisch und zeitlich Bestand hat, müssen die beteiligten Zwischenschritte stabil genug sein, um als „Bausteine“ für den nächsten Schritt zu dienen.

1. Das „Nadelöhr“ des Drei-Alpha-Prozesses​

Der Weg von Helium-4 (

) zu Kohlenstoff-12 (

) sieht auf dem Papier einfach aus, ist aber eine physikalische Meisterleistung der Natur.

• Die Instabilitätsfalle (
  
  ): Wenn zwei Heliumkerne fusionieren, entsteht Beryllium-8. Das Problem: Dieses Beryllium ist extrem instabil. Es zerfällt mit einer Halbwertszeit von etwa
  
  Sekunden wieder in zwei Alpha-Teilchen. Es ist also keine stabile Basis.
• Die Hoyle-Resonanz: Nur weil im heißen Sterninneren die Dichte der Alpha-Teilchen so gigantisch hoch ist, trifft ein drittes Alpha-Teilchen auf das
  
  , bevor es zerfällt. Durch einen quantenmechanischen Resonanzzustand (die Hoyle-Resonanz) wird dieser Prozess extrem beschleunigt und führt direkt zum stabilen
  
  .

Es gibt keine „Zwischenstufen“ mit de Massenzahlen 5 oder 8, die lange genug existieren würden, um in nennenswerten Mengen als Reaktionspartner für andere Kerne zu dienen. Der Stern „muss“ also gewissermaßen einen Quantensprung machen.

2. Warum entsteht Lithium-6 nicht effizient aus Deuterium und Helium?​

Die Synthese von

aus Deuterium (

) und Helium (

) scheitert in Sternen primär an der thermodynamischen „Hierarchie“ der Fusionsreaktionen:

• Die „Verbrennung“ von Deuterium: Deuterium ist der am leichtesten zu fusionierende Brennstoff. In einem Stern, der heiß genug für Helium-Fusion wäre, ist sämtliches Deuterium bereits längst verbraucht (durch Protoneneinfang zu
  
  ). Es steht schlicht nicht mehr zur Verfügung.
• Die Zerstörungsrate: Selbst wenn
  
  gebildet würde, ist es in einem Stern ein „Leichtgewicht“, das extrem instabil gegenüber hochenergetischen Protonen ist. Lithium, Beryllium und Bor werden als „Leichtelemente“ in Sternen bei Temperaturen zerstört, die deutlich unter denen liegen, die für die Heliumfusion erforderlich sind. Sie werden also „aufgefressen“, bevor sie Teil einer stabilen Kette werden können.

Lithium-6 ist daher kein typisches Produkt der stellaren Nukleosynthese, sondern entsteht eher bei der kosmischen Spallation (wenn hochenergetische kosmische Strahlung schwerere Kerne im interstellaren Medium zertrümmert) oder bei der primordialen Nukleosynthese (kurz nach dem Urknall), aber eben nicht effizient im Inneren eines „normalen“ Sterns.

Die Natur „wählt“ den Weg zum Kohlenstoff, weil er energetisch das stabilste „Ziel“ nach dem Helium ist und die instabilen Zwischenschritte durch extreme Dichte kurzzeitig „überbrückt“ werden können.