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Neutronensterne: Kosmische Schmiede der schweren Elemente

Die massereichsten Atome entstehen bei gewaltigen Ereignissen im Weltraum. Welche Abläufe dafür genau verantwortlich sind, war lange unklar - bis Teleskope die Folgen des energiereichen ­Zusammenstoßes zweier Sternüberreste enthüllten.
Die Illustration zeigt Neutronensterne, die zusammenstoßen, verschmelzen und die Raumzeit erschüttern

Wo immer wir hinschauen: Kleinste Bruchstücke von Sternen umgeben uns, und zum Teil bestehen wir sogar selbst daraus. Etwa die Hälfte der chemischen Elemente, die schwerer sind als Eisen, stammen aus einigen der heftigsten Sternexplosionen. Aus deren Gas und Staub gehen später neue Himmelskörper hervor. Auch auf der Erde hat sich das Leben im Lauf von 3,7 Milliarden Jahren Evolution mit Hilfe solcher besonders massereicher Atome entwickelt. Jod ist beispielsweise ein Bestandteil unserer Schilddrüsenhormone. Acantharia genannte Vertreter des Mikroplanktons im Meer besitzen komplizierte Mineralskelette, die sie mit dem Element Strontium bilden. Außerdem sind die gewichtigsten Atome aus unserer modernen Technik nicht mehr wegzudenken. Chips in Smartphones und Bildschirme in Laptops funktionieren dank Gallium. Gold ist nicht nur als Schmuck beliebt, sondern dient als Beschichtung der Spiegel des James Webb Space Telescope, weil es im infraroten Bereich des Spektrums gut reflektiert.

Dazu, wie diese und viele weitere der schwersten Bausteine unserer Welt entstanden sind, gibt es seit geraumer Zeit verschiedene wissenschaftliche Erklärungen. Die Modelle waren in ihren Details allerdings lange heftig umstritten. Das änderte sich erst 2017. In jenem Jahr gestatteten astronomische Beobachtungen zum ersten Mal einen direkten Blick auf eine spezielle Art von Nukleosynthese. Der Ablauf beginnt mit einem der seltsamsten Objekte im Universum: einem Neutronenstern …

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Spektrum der Wissenschaft – Eine neue Weltformel

Rund 100 Jahre währt die Suche der theoretischen Physik nach einer Quantentheorie der Schwerkraft. Doch vielleicht kann die Gravitation in einer Weltformel so bleiben, wie sie ist – zumindest fast. Experimente könnten die neue Theorie schon bald testen. Außerdem im Heft: Die Bedeutung der Böden der Erde wurden lange unterschätzt. Zahlreiche Organismen im Boden zersetzen abgestorbenes organisches Material und fördern so den globalen Kohlenstoffkreislauf. Gammastrahlenblitze mischen gelegentlich die irdische Ionosphäre durch. Aber brachten kosmische Explosionen das Leben auf der Erde schon einmal an den Rand der Existenz? Selbst unter dem Eis des arktischen Ozeans findet man Lava speiende Vulkane und Schwarze Raucher. Dies bietet einen neuen Blick auf die geologischen Vorgänge in unserem Planeten.

Spektrum Kompakt – Schwarze Löcher

Schwarze Löcher gehören längst nicht mehr in die Nische aberwitziger Theorien, sondern haben sich im Alltag der Astrophysik etabliert. Viele Phänomene im Weltall lassen sich nur mit diesen extrem kompakten Raumzeitfallen erklären.

Sterne und Weltraum – Schwarze Löcher – Gibt es Singularitäten doch nicht?

Der Mathematiker Roy Kerr fand einen vermeintlichen Fehler in der Beschreibung schwarzer Löcher durch Roger Penrose und Stephen Hawking. Lesen Sie, weshalb seine Argumente nicht stichhaltig sind. Der Asteroid Apophis wird sich im April 2029 der Erde dicht annähern. Die ESA plant mit ihrer Mission RAMSES den etwa 350 Meter großen Gesteinsbrocken zu begleiten. Wir stellen die Initiative „Astronomie als Kickstarter“ in Schulen vor und komplettieren unsere Serie „Der Weg zum Deep-Sky-Foto“ anhand konkreter Arbeitsschritte in Bildbearbeitungsprogrammen.

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  • Quellen

Chen, H.-Y. et al.: The relative contribution to heavy metals production from binary neutron star mergers and neutron star–black hole mergers. The Astrophysical Journal Letters 920, 2021

Curtis, S. et al.: Nucleosynthesis in outflows from black hole-neutron star merger disks with full GRνRMHD. ArXiv 2212.10691, 2022

Hayashi, K. et al.: General-relativistic neutrino-radiation ­magnetohydrodynamic simulation of seconds-long black hole- neutron star mergers. Physical Review D 106, 2022

Lattimer, J. M., Schramm, D. N.: Black-hole-neutron-star collisions. Astrophysical Journal 192, 1974

Metzger, B. D. et al.: Electromagnetic counterparts of compact object mergers powered by the radioactive decay of r-process nuclei. MNRAS 406, 2010

Rastinejad, J. C. et al.: A kilonova following a long-duration gamma-ray burst at 350 Mpc. Nature 612, 2022

Sneppen, A. et al.: Spherical symmetry in the kilonova AT2017gfo/GW170817. Nature 614, 2023

Symbalisty, E., Schramm, D. N.: Neutron star collisions and the r-process. Astrophysical Letters 22, 1982

Watson, D. et al.: Identification of strontium in the merger of two neutron stars. Nature 574, 2019

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