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Dem Ursprung von Gold, Platin und Eisen auf der Spur
Redaktion
/ idw / Pressemitteilung der Technischen Universität Darmstadt
astronews.com
31. Juli 2026
Woher stammen Gold, Platin oder Uran? Diese Frage
beschäftigt Astrophysik und Kernphysik seit Jahrzehnten. Ein Forschungsteam hat
nun einen wichtigen Schritt zum Verständnis der Entstehung dieser schweren
Elemente gemacht: Die Forschenden zeigten, wie moderne Berechnungen von
Atomkernen die Vorhersagen für die sogenannte r-Prozess-Nukleosynthese deutlich
verbessern können.
Künstlerische Darstellung der Verschmelzung zweier
Neutronensterne.
Bild: ESO / L. Calçada / M.
Kornmesser [Großansicht] |
Etwa die Hälfte aller Elemente, die schwerer sind als Eisen, entsteht im
sogenannten schnellen Neutroneneinfangprozess, kurz r-Prozess. Dieser läuft
unter extremen Bedingungen ab, etwa bei der Kollision zweier Neutronensterne.
Dabei werden Atomkerne innerhalb kürzester Zeit mit Neutronen bombardiert und
bilden so immer schwerere Elemente. Das Problem: Viele der beteiligten Atomkerne
sind extrem neutronenreich und können nicht im Labor untersucht werden.
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sind daher auf theoretische Modelle
angewiesen, deren Vorhersagen insbesondere weit entfernt von experimentell
bekannten Kernen oft stark voneinander abweichen.
Manche der exotischen Atomkerne können von Forschungsanlagen wie FAIR des GSI
Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung in Darmstadt erzeugt werden. Ein
Forschungsteam der Technischen Universität Darmstadt hat diese Möglichkeit
genutzt und in einer Studie wichtige Bausteine zur Erforschung der Entstehung
der schweren Elemente geliefert. "Die Studie zeigt damit auch, dass sich der
größtmögliche Erkenntnisgewinn durch die Kombination neuer Experimente mit
modernsten theoretischen Modellen für Schlüsselregionen von neutronenreichen
Kernen erzielen lässt", erklärt Almudena Arcones, Professorin für Theoretische
Astrophysik an der TU Darmstadt. "So sind die Berechnungen auch von wichtiger
Bedeutung, um die relevantesten Isotope zu identifizieren, die in künftigen
Experimenten untersucht werden sollten."
Die Forschenden nutzten erstmals Kernmassen, die mit einer modernen "Ab-initio-Methode"
berechnet wurden. Anders als viele etablierte Modelle basiert dieser Ansatz
direkt auf den grundlegenden Wechselwirkungen zwischen Protonen und Neutronen
und erlaubt es, die theoretischen Unsicherheiten abzuschätzen. Mithilfe der
sogenannten Valence-Space In-Medium Similarity Renormalization Group
(VS-IMSRG)-Methode berechneten Takayuki Miyagi und Achim Schwenk die
Eigenschaften von 70 besonders wichtigen Atomkernen in der Umgebung der
magischen Neutronenzahl N = 82. Diese Region spielt eine zentrale Rolle bei der
Bildung des sogenannten zweiten r-Prozess-Peaks, einer charakteristischen
Häufung bestimmter schwerer Elemente im Universum. Die neuen Berechnungen wurden
anschließend in umfangreiche Simulationen der Elemententstehung eingebunden,
darunter Szenarien von Neutronenstern-Verschmelzungen sowie anderen extremen
astrophysikalischen Ereignissen.
Die Ergebnisse zeigen, dass die neu berechneten Kernmassen den Materialfluss
im r-Prozess stärker bremsen als bisherige Modelle. Materie sammelt sich dadurch
länger in einer bestimmten Kernregion an, bevor die Synthese noch schwererer
Elemente fortgesetzt wird. "Bereits vergleichsweise kleine Änderungen der
Kernmassen können die vorhergesagten Häufigkeiten schwerer Elemente im Universum
deutlich beeinflussen", erläutert Jan Kuske, der dazu in der Arbeitsgruppe von
Arcones promovierte. Die Studie sagt insbesondere eine stärkere Ausprägung des
zweiten r-Prozess-Peaks sowie eine Verschiebung des dritten Peaks voraus. Damit
liefert sie neue Hinweise darauf, wie Gold, Platin und andere schwere Elemente
nach Neutronenstern-Kollisionen entstehen.
Die Forschenden betonen, dass viele der für den r-Prozess relevanten Kerne
auch mit den kommenden Generationen von Beschleunigeranlagen nur schwer
zugänglich sein werden. Deshalb gewinnen präzise theoretische Methoden zunehmend
an Bedeutung. Die Studie zeigt, dass Ab-initio-Berechnungen inzwischen ein
Niveau erreicht haben, auf dem sie direkt zu einem besseren Verständnis
astrophysikalischer Prozesse beitragen können.
Die Ergebnisse wurden jetzt in der Fachzeitschrift Physical Review
Letters veröffentlicht.
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