Künstlerische Darstellung der Verschmelzung von Neutronensternen. Bildrechte: ESO/L. Calçada/M. Kornmesser

Kollision von Neutronensternen Schwerelement-Fabrik im Weltraum entdeckt

23. Oktober 2019, 19:00 Uhr

Forscher haben erstmals die "Produktion" eines schweren Elements im Weltraum nachgewiesen. Das Element Strontium entstand bei der Fusion zweier Neutronensterne. Bislang war die Entstehung von Elementen, die schwerer als Eisen sind, nicht geklärt.

Woher stammen Gold, Blei, Uran und andere schwere Elemente unseres Periodensystems? Einem internationalen Astronomenteam ist es erstmals gelungen, die "Produktion" eines Elements, dessen atomare Masse schwerer als Eisen ist, im Kosmos nachzuweisen.

Strontium-Signatur entdeckt

Die Forschergruppe, zu der auch Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Astronomie (MPIA) in Heidelberg gehören, entdeckte in den Spektren einer Neutronensternfusion die Signatur des schweren Elements Strontium. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Forscher jetzt in der Fachzeitschrift Nature.

Bereits seit längerem war vermutet worden, dass sich bei der explosiven Verschmelzung von Neutronensternen - also Sternen, die im Wesentlichen aus Neutronen bestehen -  schwere Elemente bilden. Der Nachweis dazu fehlte bislang allerdings.

StrontiumDas Erdalkalimetall Strontium (Sr) mit der atomaren Masse 87,62 kommt auf der Erde in bestimmten Mineralien im Boden vor. Seine Salze werden unter anderem verwendet, um die rote Farbe in Feuerwerken herzustellen. Strontium ist das erste schwere Element, dessen Erzeugung durch die Kollision zweier Neutronensterne nachgewiesen wurde.

Kilonova-Explosion bringt Licht ins Dunkel

Hier fand die Verschmelzung zweier Neutronensterne statt: Die Himmelsregion um die Galaxie NGC 4993 im Sternbild Wasserschlange. Bildrechte: ESO and Digitized Sky Survey 2

Erst eine spektakuläre Entdeckung im August 2017 sollte die Wissenschaftler bei der Lösung des Problems entscheidend voranbringen: Damals sichteten Astronomen mit dem Very Large Telescope (VLT) des European Southern Observatory (ESO) ein auffälliges Gravitationswellensignal im Sternbild Hydra. Das Signal mit dem Namen GW170817 erwies sich als eine Kilonova-Explosion  - ein Helligkeitsausbruch nach einer Verschmelzung von Neutronensternen.

Beweis für den R-Prozess

Illustration des R-Prozesses: Neutronen bilden schnell große Verbindungen, von denen einzelne Neutronen in Protonen zerfallen, während bei jeder einzelnen Reaktion ein Elektron und ein Antineutrino emittiert werden. Bildrechte: Müllerthann/MPIA

Derartige Neutronenstern-Fusionen hatten die Wissenschaftler schon länger als Umfeld für einen Prozess vermutet, der als schneller Neutroneneinfang oder auch R-Prozess (R = Rapid) bezeichnet wird. Dabei werden freie Neutronen derart schnell an einen vorhandenen Atomkern gebunden, dass sehr schwere Elemente erzeugt werden können.

Dass einzige, was bislang noch fehlte, war der Beweis, dass ein schweres Element durch die Verschmelzung zweier Neutronensterne tatsächlich frisch gebildet wurde. Mit dem Nachweis von Strontium in den Spektren der Kilonova GW170817 wurde dieser Nachweis nun erbracht.

Beweis für Neutroneneinfang-These

Das Künstlerkonzept zeigt zwei Neutronensterne an dem Punkt, an dem sie sich vereinigen und als Kilonova explodieren. Bildrechte: University of Warwick/Mark Garlick/ESO

"Durch die Neuanalyse der im Jahr 2017 gewonnenen Daten des Ereignisses haben wir nun die Signatur eines schweren Elements in diesem Feuerball, Strontium, identifiziert und damit bewiesen, dass die Kollision von Neutronensternen dieses Element im Universum erzeugt", erläutert der Hauptautor der Studie, Darach Watson von der Universität Kopenhagen in Dänemark. Und seine Co-Autorin Camilla Juul Hansen vom MPIA Heidelberg betont: "Dies ist das erste Mal, dass wir neu geschaffenes Material, das durch Neutroneneinfang gebildet wurde, direkt mit einer Neutronensternfusion assoziieren können."

Das letzte fehlende Puzzleteil bei der Suche nach dem Ursprung der Elemente wurde damit gefunden. Die Wissenschaftler hoffen nun auf weitere bahnbrechende Entdeckungen. Vielleicht finden sie ja demnächst auch Gold – im Weltall.