Nukleosynthese: Der Elemententstehung auf der Spur

astronews.com Redaktion

Registriertes Mitglied
Die schweren Elemente im All dürften allen bei extrem energiereichen Prozessen entstanden sein. Die besten Kandidaten sind die Explosion eines Sterns in einer Supernova und die Kollision zweier Neutronensterne. Experimentell lassen sich diese Theorien aber bislang nicht belegen. Jetzt glauben Physiker bei der Untersuchung der Elemententstehung einen wichtigen Schritt vorangekommen zu sein. (30. März 2016)

Weiterlesen...
 

zabki

Registriertes Mitglied
nicht direkt auf den Red.-text bezogen, aber m.E. doch zum Fadenthema passend eine Frage:

"Eisen" soll das kernphysikalisch stabilste Element sein, d.h. bei der Fusion leichtere Kerne zu Eisen wird Energie frei, und bei der Spaltung schwerer Kerne ebenfalls (hoffe, das stimmt so einigermaßen).

Dann die Frage: Warum wurde bei der "primordialen Nukleosynthese" nicht gleich hauptsächlich Eisen erzeugt - mit Anteilen leichterer und schwererer Elemente?

In der Wiki-Diskussion zum Art. "Primordialen Nukleosynthese" fand ich folgende Bemerkungen:

[Statement]:
Sie dauerte nur etwa 3 Minuten; danach fielen Temperatur und Dichte des Universums unter die kritischen Werte, die für die Kernfusion nötig sind. Die kurze Zeitdauer erklärt zum einen, warum sich schwerere Elemente nicht schon beim Urknall gebildet haben und zum anderen, warum reaktive leichte Elemente wie Deuterium übrig bleiben konnten.

[Reaktion]:
- Mit der Zeit hat das nix zutun!!! Oder meint jemand, dass größere Atome länger brauchen um gebildet zu werden? Schwerere haben sich nicht gebildet, weil es keine stabilen Kerne mit der Massenzahl 5 gibt. Man braucht einfach andere Prozesse. 3 Minuten? Von wann bis wann war denn das? ;-) Man sollte das Verhältnis von Helium zu Wasserstoff über den Zerfall von Neutronen erklären...

https://de.wikipedia.org/wiki/Diskussion:Primordiale_Nukleosynthese

was wäre dazu zu sagen?

Danke für Antworten!
 

Protuberanz

Registriertes Mitglied
Was soll ich sagen? Die Eckdaten sind gegeben, was möchtest Du also hören?
Niemand war dabei, niemand kann es mit Sicherheit sagen. Aber zu behaupten andere Elemente , als H, He und Li wurden bereits beim UK erzeugt, ist GDM. Da hilft auch Deine Annahme einer irrsinnig langen Zeit von 3 Minuten nichts. GDM schließt aus, das es anders war.
 

zabki

Registriertes Mitglied
ich verstehe deine antwort ehrlich gesagt überhaupt nicht. Ich für mich behaupte überhaupt nichts. (die 3 Minuten stammen aus dem Wiki-Statement).

Es gibt - soweit ich weiß - die Annahme, daß in der sog. "primordialen Nukleosynthese" hauptsächlich Wasserstoff und einige weitere leichte Element entstanden sind. Ich frage nun, wie es kommt, daß nicht hauptsächlich Eisen (als kernphysikalisch stabilstes Element) entstanden ist. Die Theorie wird doch für ihre Annahme Gründe haben. Wäre nett, wenn jemand diese Gründe etwas erläutern könnte. (Ich behaupte doch nicht es wäre tatsächlich Eisen entstanden, ich wüßte nur gern die Gründe für die gängige Annahme).
 

Protuberanz

Registriertes Mitglied
Entschuldige bitte zabki. Das lag nicht in meiner Absicht. Ich wollte damit nur sagen, das die allgemeine Theorie nur 3 Elemente erlaubt. Eisen kommt darin also zwangsläufig nicht vor. Da jedoch niemand bei der Entstehung des Universums zugegen war, können wir nicht wissen, ob die absens von Eisen bei dem extrem hohen Druck aus einer Singularität, den wirklichen Gegebenheiten entspricht. Es erscheint unlogisch, aber GDM-Regeln geben es nun einmal so vor.
 

Mahananda

Registriertes Mitglied
Hallo zabki,

Ich frage nun, wie es kommt, daß nicht hauptsächlich Eisen (als kernphysikalisch stabilstes Element) entstanden ist.

So weit ich es verstanden habe, hat sich die Dichte zu schnell zu rapide verringert, so dass die Bedingungen, unter denen im Tripel-Alpha-Prozess aus drei Helium-Kernen Kohlenstoffkerne hätten entstehen können, nicht lange genug vorhanden gewesen sind, während in Roten Riesen dieser Prozess über mehrere Millionen Jahre bis mehrere Hundert Millionen Jahre ablaufen kann, so dass nennenswerte Mengen an Kohlenstoff und Sauerstoff entstehen können. Da nach dem Urknall die Zeit nicht ausreichte, dass die Kohlenstoffsynthese anlaufen konnte, waren weitere Fusionsschritte bis zum Eisen von vornherein verbaut.
 
Zuletzt bearbeitet:

Ich

Registriertes Mitglied
Es gibt zwei Engstellen, die die Enstehung schwerer Elemente verhindern.
Erstens ist Deuterium bei hohen Temperaturen instabil. Es hat also einige Zeit gedauert, bis man aus Deuterium Helium erbrüten konnte.
Zweitens: Wenn du aus Helium schwere Elemente bilden willst, musst du als Zwischenschritt entweder zwei Heliumkerne verschmelzen oder ein Baryon an einen Heliumkern anlagern. Beides geht, aber in beiden Fällen zerfallen die Produkte in kürzester Zeit wieder. Deswegen stoppt hier die Reaktionskette. Die Zerfallsprodukte findet man noch im Urplasma, aber eben nichts schwereres.
Schwere Elemente werden in Sternen erbrütet, über p-p und Triple Alpha, wie Mahananda sagte. Dort ist die Dichte höher, und vor allem genügend Zeit vorhanden - ein Stern erzeugt pro Masse nicht mehr Wärmeleistung als ein Komposthaufen, das dauert also. Das geht im Endstadium bis hin zu besagtem Eisen. Noch schwerere Elemente kriegt man in Supernovaexplosionen, wo genügend Energie vorhanden ist, um auch endotherme Reaktionen zu speisen.
 
Zuletzt bearbeitet:

zabki

Registriertes Mitglied
ich entnehme den Antworten, daß überhaupt die Bildung schwererer Elemente quasi Schritt für Schritt vor sich gehen muß. Das war mir schonmal nicht klar. Also daß sogleich aus Einzelprotonen und Neutronen auch schwerere Kerne gebildet werden (bis Eisen), das scheint nicht zu gehen.
 
Zuletzt bearbeitet:

Protuberanz

Registriertes Mitglied
Es gibt zwei Engstellen, die die Enstehung schwerer Elemente verhindern.
Erstens ist Deuterium bei hohen Temperaturen instabil. Es hat also einige Zeit gedauert, bis man aus Deuterium Helium erbrüten konnte.
Zweitens: Wenn du aus Helium schwere Elemente bilden willst, musst du als Zwischenschritt entweder zwei Heliumkerne verschmelzen oder ein Baryon an einen Heliumkern anlagern. Beides geht, aber in beiden Fällen zerfallen die Produkte in kürzester Zeit wieder. Deswegen stoppt hier die Reaktionskette. Die Zerfallsprodukte findet man noch im Urplasma, aber eben nichts schwereres.
Ist das so zu verstehen, das, wenn ich kein Neutron habe, können zwei Protonen keine stabile Bindung eingehen können, auch wenn sie genügend Energie hatten, um die Coulombgrenze zu überwinden? Aber außer dem Helium mit je 2 Protonen und Neutronen, gibt es ja auch welches, mit nur einem Neutron. Da müßte bei der Fusion doch ein leichter Wasserstoffkern involviert gewesen sein. Wann und wie ist das entstanden und warum zerfällt es nicht?
Was passiert mit Deuterium bei hohen Temperaturen? Verliert es nur das Neutron und wird so zu leichtem Wasserstoff, oder gehen auch Elektron und Proton wieder getrennte Wege? Wenn das aber so ist, dann war nach dem Urknall quasi ein ständiges kommen und gehen von Deuterium der Fall, bzw. wann und wie deuteriumisierten die 3 Freunde PNE überhaupt? Ich glaube, ich habe gerade eine furchtbar weiche Birne. Denn ich verheddere mich völlig. Ich hoffe Du kannst Licht ins dunkle Hirn bringen.
Schwere Elemente werden in Sternen erbrütet, über p-p und Triple Alpha, wie Mahananda sagte. Dort ist die Dichte höher, und vor allem genügend Zeit vorhanden - ein Stern erzeugt pro Masse nicht mehr Wärmeleistung als ein Komposthaufen, das dauert also. Das geht im Endstadium bis hin zu besagtem Eisen. Noch schwerere Elemente kriegt man in Supernovaexplosionen, wo genügend Energie vorhanden ist, um auch endotherme Reaktionen zu speisen.
In Supernovae wird mehr Energie freigesetzt, als beim Urknall? Im Urknall gab es nicht ausreichend Energie um endotherme Fusionen mit Energie versorgen zu können? Oder wo liegt mein Denkfehler?
 

zabki

Registriertes Mitglied
ich entnehme den Antworten, daß überhaupt die Bildung schwererer Elemente quasi Schritt für Schritt vor sich gehen muß. Das war mir schonmal nicht klar. Also daß sogleich aus Einzelprotonen und Neutronen auch schwerere Kerne gebildet werden (bis Eisen), das scheint nicht zu gehen.

... ich glaub' ich habs jetzt verstanden - habe wohl aus Altersgründen einfach einen elementaren Sachverhalt vergessen - die Nukleonen bilden ja nicht einfach eine Art Erbsensuppe, wo ohne weiteres auch eine größere Anzahl miteinander verklumpen könnte, sondern da gibt es eben noch den "Abstandshalter". Es muß also auf jeden Fall bei der Fusion zunächst mal Energie investiert werden, auch wenn unterm Strich Energie frei wird, d.h. es müssen geeignete "Zusammenstöße" stattfiden, und da spielt dann offenbar die Wahrscheinlichkeit eine Rolle.
 

Bernhard

Registriertes Mitglied
Es muß also auf jeden Fall bei der Fusion zunächst mal Energie investiert werden, auch wenn unterm Strich Energie frei wird, d.h. es müssen geeignete "Zusammenstöße" stattfiden, und da spielt dann offenbar die Wahrscheinlichkeit eine Rolle.
Genau so ist es. Es gibt in der Kernphysik Gleichungen wie in der Chemie, nur mit anderen "Zutaten". Bei jeder kernphysikalischen Reaktion wird entweder Energie benötigt oder es wird Energie frei. Es gibt ferner stabile und weniger stabile Kerne: https://de.wikipedia.org/wiki/Magische_Zahl_(Physik).
 

Ich

Registriertes Mitglied
Ist das so zu verstehen, das, wenn ich kein Neutron habe, können zwei Protonen keine stabile Bindung eingehen können, auch wenn sie genügend Energie hatten, um die Coulombgrenze zu überwinden? Aber außer dem Helium mit je 2 Protonen und Neutronen, gibt es ja auch welches, mit nur einem Neutron. Da müßte bei der Fusion doch ein leichter Wasserstoffkern involviert gewesen sein. Wann und wie ist das entstanden und warum zerfällt es nicht?
Was passiert mit Deuterium bei hohen Temperaturen? Verliert es nur das Neutron und wird so zu leichtem Wasserstoff, oder gehen auch Elektron und Proton wieder getrennte Wege? Wenn das aber so ist, dann war nach dem Urknall quasi ein ständiges kommen und gehen von Deuterium der Fall, bzw. wann und wie deuteriumisierten die 3 Freunde PNE überhaupt? Ich glaube, ich habe gerade eine furchtbar weiche Birne. Denn ich verheddere mich völlig. Ich hoffe Du kannst Licht ins dunkle Hirn bringen.
Doch, Deuterium ist stabil. Eigentlich. Nur: bei richtig hohen Temperaturen wird es von jedem dahergelaufenen Photon wieder zerschossen. Dann geht alles wieder getrennte Wege, Elektronen sowieso.
Erst, als es ausreichend kühl war, konnte Deuterium länger überleben und z.B. Helium bilden, und das auch nur bis es dafür zu kühl wurde. Deswegen wurde nicht schon damals aller Wasserstoff zu Helium verbrannt.
In Supernovae wird mehr Energie freigesetzt, als beim Urknall? Im Urknall gab es nicht ausreichend Energie um endotherme Fusionen mit Energie versorgen zu können? Oder wo liegt mein Denkfehler?
Energie gab es mehr als genug. Es war anfangs wie gesagt zu heiß. In der Phase, wo man super schwere Elemente hätte bauen können, ist man aber aus den erwähnten Gründen nicht über Beryllium und Lithium hinausgekommen.
Meine Aussage "genügend Energie" bezog sich nicht auf den Urknall als Vergleich, sondern auf das "normale" Sternbrennen. Das funktioniert nur exotherm. Sobald Eisen erreicht und die Reaktion dadurch endotherm wird, dauert es nur ein paar Millisekunden, bis alles zusammenbricht und dann explodiert. Durch diese Explosion (gespeist aus gravitativer Energie) steht genug Energie zur Verfügung, um aus Eisen durch aufeinanderfolgende Anlagerung von Neutronen schwerere Elemente zu fusionieren.
 

Ich

Registriertes Mitglied
[...] es müssen geeignete "Zusammenstöße" stattfiden, und da spielt dann offenbar die Wahrscheinlichkeit eine Rolle.
Exakt. Wenn zum Beispiel zwei Heliumkerne verschmolzen sind, muss innerhalb von 10^-17 s ein weiterer Kern dazustoßen, um Kohlenstoff zu bilden. Das ist natürlich extrem unwahrscheinlich. Das kann erst in Sternen passieren, wo zum einen die Dichte sehr viel höher ist und man zum anderen mehrere Millionen Jahre Zeit hat, nicht bloß ein paar Minuten.
 
Oben