Nukleosynthese: Der Ursprung der Elemente. Teil 2: Durch Neutroneneinfang zu den schwersten Atomkernen

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Nukleosynthese: Der Ursprung der Elemente. Teil 2: Durch Neutroneneinfang zu den schwersten Atomkernen

Sterne sind kosmische Hochöfen: Sie produzieren die Stoffe, aus denen wir und alle Materie in unserer Umgebung bestehen. Doch die während ihrer Entwicklung ablaufenden Kernfusionen können die Herkunft der schwersten Elemente nicht erklären. Die aktive Forschung im Zusammenspiel von Kern- und Astrophysik hat die explosiven Wege erkundet, denen wir die Hälfte der Elemente von Eisen bis Blei und Wismut und alle noch schwereren Elemente verdanken.

Franz Käppeler, Gabriel Martinez-Pinedo und Friedrich-Karl Thielemann

Verschmelzende Neutronensterne — © NSF/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet / Verheerende Kollision / CC BY 4.0 CC BY (Ausschnitt)

Etwa 98 Prozent aller sichtbaren Materie im heutigen Universum bestehen aus Wasserstoff und Helium, den beiden leichtesten Elementen. Alle übrigen Atomsorten machen nur einen kleinen Anteil aus, sind aber für unsere Lebensgrundlagen von existenzieller Bedeutung. Woher diese schweren Elemente stammen, war lange Zeit unbekannt. Erst in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts waren verschiedene Teildisziplinen der Physik so weit entwickelt, dass die Wissenschaftler in kleinen Schritten einer Lösung dieser Frage näher kamen.

Eine wichtige Erkenntnis gelang in den 1930er Jahren, als Physiker wie Hans Bethe (1906 – 2005) und Carl Friedrich von Weizsäcker (1912 – 2007) die Energiequelle unserer Sonne entschlüsselten: In ihrem Innern verschmelzen bei hohen Temperaturen und Drücken die Kerne von Wasserstoff zu Helium. Mit solchen Kernfusionsreaktionen, bei denen Energie frei wird, ist auch der Aufbau von schwereren Elementen bis hin zum Eisen zu erklären.

Aber Elemente, die noch schwerer sind als Eisen, woher stammen sie? ...

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Franz Käppeler, Gabriel Martinez-Pinedo und Friedrich-Karl Thielemann

Franz Käppeler leitete bis zu seiner Emeritierung 2007 am Institut für Kernphysik der Universität Karlsruhe eine Arbeitsgruppe zur Erforschung der Elementsynthese in Roten Riesen. Er ist aktiv an einem Experiment zur Neutronenphysik am CERN beteiligt.

Gabriel Martinez-Pinedo ist Professor am Institut für Kernphysik der Technischen Universität Darmstadt und Leiter der Abteilung Kernstruktur und Astrophysik am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt.

Friedrich-Karl Thielemann ist Professor Emeritus für theoretische Physik der Universität Basel. Sein Hauptarbeitsgebiet ist die explosive Nukleosynthese, das heißt die Elemententstehung in stellaren Explosionen und deren Einfluss auf die Entwicklung von Galaxien.

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Literaturhinweise

Burbidge, E. M. et al.: Synthesis of the Elements in Stars. In: Review of Modern Physics 29, S. 547 – 654, 1957

Cameron, A. G. W.: Nuclear Reactions in Stars and Nucleogenesis. In: Publications of the Astronomical Society of the Pacific 69, S. 201 – 222, 1957

Käppeler, F. et al.: The s-Process: Nuclear Physics, Stellar Models, and Observations. In: Review of Modern Physics 83, S. 157 – 193, 2011

Martinez-Pinedo, G.: Supernova Evolution and Nucleosynthesis. In: Physik Journal, Nr. 8–9/2008, S. 51 – 56

Martinez-Pinedo, G. et al.: Der Beginn einer Multimessenger-Ära. In: Physik Journal, Nr. 12/2017, S. 20 – 22

Rosswog, S. et al.: Detectability of Compact Binary Merger Macronovae. In: Classical and Quantum Gravity 34, 104001, 2017

Thielemann, F.-K. et al.: Nucleosynthesis in Supernovae. In: Space Science Reviews 214:62, 2018

Winteler, C. et al.: Magnetorotationally Driven Supernovae as the Origin of Early Galaxy r-Process Elements? In: The Astrophysical Journal Letters 750, L22, 2012

Wu, M.-R. et al.: Production of the Entire Range of r-Process Nuclides by Black Hole Accretion Disc Outflows from Neutron Star Mergers. In: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 463, S. 2323 – 2334, 2016

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