DOE erklärt…Nukleosynthese

Nukleosynthese ist die Entstehung neuer Atomkerne, der Zentren von Atomen, die aus Protonen und Neutronen bestehen. Die Nukleosynthese fand erstmals innerhalb weniger Minuten nach dem Urknall statt. Damals kondensierte ein Quark-Gluon-Plasma, eine Suppe aus Teilchen, die als Quarks und Gluonen bekannt sind, zu Protonen und Neutronen. Nachdem sich das Universum leicht abgekühlt hatte, verschmolzen die Neutronen mit den Protonen zu Deuteriumkernen, einem Isotop des Wasserstoffs. Die Deuteriumkerne vereinigten sich dann zu Helium. Durch weitere Reaktionen zwischen Protonen, Neutronen und verschiedenen Heliumisotopen entstand Lithium. Aus dem in dieser Phase des Universums erzeugten Wasserstoff und Helium entstanden schließlich die ersten massereichen Sterne des Universums.

Seitdem haben die Kernreaktionen beim Leben und Sterben von Sternen die meisten anderen Kerne im Universum gebildet. Sterne können Kerne durch zwei Prozesse erzeugen: entweder durch die Verbindung zweier kleinerer Kerne (genannt Fusion) oder durch die Spaltung eines größeren Kerns in mehrere Kerne (genannt Spaltung). Beide Wege führen zu neuen Atomen.

In der Vergangenheit entstanden durch diese Prozesse auch die Elemente des Periodensystems, die wir heute kennen. Sterne unterschiedlichen Typs produzieren Kerne verschiedener Elemente, was im Laufe der Zeit zu der Reihe natürlicher Elemente führte. Die ersten Sterne des Universums waren massereich, oft mehr als 10 Mal so groß wie unsere Sonne. Sie hatten auch eine viel kürzere Lebensdauer als Sterne, die in jüngerer Zeit entstanden sind. Während sie lebten, verbrannten sie Wasserstoff und produzierten die Elemente bis hin zum Eisen im Periodensystem. Als sie starben, stießen sie Kerne dieser Elemente in einer Art Explosion aus, die als Kernkollaps-Supernova bezeichnet wird. Supernovae können Neutronensterne zurücklassen. Wenn Neutronensterne verschmelzen, produzieren sie neue Kerne, darunter auch Elemente, die schwerer sind als Eisen. Andere Sterne werden zu Weißen Zwergen, wenn sie sterben. Diese Weißen Zwerge können später ebenfalls verschmelzen und Kerne von Elementen synthetisieren.

DOE Office of Science: Beiträge zur Nukleosynthese

Das Office of Nuclear Physics im DOE Office of Science unterstützt die Forschung in der nuklearen Astrophysik – der Physik, die zum Verständnis der Reaktionen benötigt wird, die die Elemente erzeugen. Zwei universitäre DOE-Exzellenzzentren, das Cyclotron Institute an der Texas A&M University und das Triangle Universities Nuclear Laboratory, sind auf das Studium der nuklearen Astrophysik spezialisiert. Das DOE finanziert auch die Theorie und Modellierung des Urknalls, von Sternen, Supernovae und Neutronensternverschmelzungen – alles Quellen von Elementen. Die Nutzeranlage Argonne Tandem Linac Accelerator System (ATLAS) des DOE Office of Science beherbergt das weltweit leistungsstärkste Spektrometer für die Kernstrukturforschung. Das Amt für Kernphysik unterstützt jetzt den Bau der Anlage für Strahlen seltener Isotope an der Michigan State University. Dieser Beschleuniger wird kurzlebige und noch nie dagewesene neutronenreiche Kerne erzeugen, die bei der Produktion der schwersten Elemente eine Rolle spielen.

Fakten zur Nukleosynthese

• Wissenschaftler glauben, dass die schwersten natürlich vorkommenden Elemente, einschließlich Uran, in gewalttätigen neutronenreichen Umgebungen wie der Verschmelzung von zwei Neutronensternen oder Supernovae entstehen. Unter diesen Bedingungen gewinnen Neutronen schneller Kerne, als sie zerfallen können.
• Wir bestehen größtenteils aus Materie, die durch Nukleosynthese in inzwischen erloschenen Sternen entstanden ist, was zu der berühmten Aussage des Kosmologen Carl Sagan führte, dass wir aus „Sternenmaterial“ bestehen.“

Ressourcen und verwandte Begriffe

• Nukleare Astrophysik an der Texas A&M University
• Nukleare Astrophysik am Triangle Universities Nuclear Laboratory
• Facility for Rare Isotope Beams an der Michigan State University
• Kosmisches Verständnis aus winzigen Teilchen