Supernovae womöglich nicht Quelle der schwersten Atome

Chemische Elemente, die im Periodensystem hinter Zinn stehen, stammen wohl nicht wie bisher angenommen aus Sternexplosionen

Explodierender Stern
Explodierender Stern

Garching - In den ersten Minuten nach dem Urknall entstanden vor allem Wasserstoff und Helium. In Sternen wurden die beiden Elemente durch Fusionsprozesse zu massereicheren Kernen verschmolzen - bis hin zum Eisen mit 26 Protonen. Als Ursprung von mindestens der Hälfte der schwereren Atome favorisieren Wissenschaftler bisher Supernovae. Stimmen allerdings neue Modellrechnungen, müssen sie sich eine neue Quelle überlegen.

Thomas Janka vom Max-Planck-Institut für Astrophysik in Garching und seine Kollegen haben die Sternmaterie simuliert, die durch die Explosion ins All geschleudert wird. Nach bisherigen Annahmen sollten sowohl Temperatur und Neutronendichte hierin für einige Sekunden derart hoch sein, dass die mitreisenden Atomkerne etliche Neutronen einfangen können. Ein Teil der frisch hinzugestoßenen Teilchen zerfällt alsbald in Protonen und erzeugt auf diese Weise ein schwereres Element.

Neutronenreiche Kerne mit Massezahlen zwischen 130 und 200 sollen diesen schnellen Neutroneneinfang, den so genannten starken r-Prozess (r für rapid), als Ursprung haben. Da Supernovae mit massearmen Vorläufersternen von acht bis zehn Sonnenmassen anscheinend die idealen Voraussetzungen für diesen Prozess boten, handelte man sie bisher als wahrscheinlichste Quelle der Elemente zwischen Cäsium und Plutonium im Periodensystem.

In ihrem Computermodell untersuchten Janka und sein Team nun diese massearmen Supernovae. "Je weiter wir unsere Modelle verfeinern, desto ungünstiger werden die Bedingungen für den starken r-Prozess", fasst Janka das Ergebnis zusammen. Drei Kriterien sollte die aus dem Stern katapultierte Materie erfüllen: Sie muss während der Supernova schnell herausgeschleudert werden, das Temperatur-Dichte-Verhältnis (die Entropie) darin muss sehr hoch sein und die Neutronen sollten die Protonen deutlich überwiegen.

Vorherige Modelle ergaben bereits ein zwei- bis dreifach zu niedriges Temperatur-Dichte-Verhältnis. "Hier hat man sich immer noch herausreden können, denn womöglich gab es noch einen unbekannten Energieinput in das herausgeschleuderte Material und so hätte die Explosion etwas anders verlaufen können als erwartet", erläutert Janka. Im aktuellen und bisher detailreichsten Modell sehen die Forscher jedoch nicht nur das altbekannte Manko, sondern statt dem für den starken r-Prozess nötigen Neutronen- einen unerwarteten Protonenreichtum. Sind die Modelle korrekt, wäre es also nahezu unmöglich, dass in diesem Umfeld Elemente schwerer als Zinn (50 Protonen) entstehen könnten. Rund 30 Prozent aller Supernovae würden damit als Lieferanten solcher Elemente ausscheiden. Allerdings hält es Janka durchaus für denkbar, dass auch während der Explosion massereicherer Sterne kein starker r-Prozess stattfindet. Denn die Physik, die dafür sorgt, dass die ausgeworfene Materie neutronenreich ist, hänge nur wenig von der Ausgangsmasse des ursprünglichen Sterns ab. Demnach dürften also auch massereiche Supernovae keinen ausreichend neutronenreichen Materieauswurf besitzen.

Aber welchen Ursprung haben dann Gold, Blei und alle anderen Elemente mit Massezahlen über 130? "Wenn ich ehrlich bin, kann ich nur sagen, wir wissen es nicht", gesteht Janka. "Wir stehen wieder am Punkt Null und müssen uns als Astrophysiker überlegen, welche Möglichkeiten es noch gibt." In Frage kämen beispielsweise verschmelzende Neutronensterne. Beobachtungsdaten bereiten diesem Ansatz aber noch Probleme - vorausgesetzt die hierbei zu Grunde gelegten Theorien stimmen. "Andererseits könnten auch die von uns verwendeten Modelle noch nicht ausgereift sein", gibt Janka zu bedenken. So könnten wichtige, aber bisher unbekannte physikalische Effekte darin fehlen.

Deshalb müsse man nun überlegen, ob die theoretischen Vorstellungen einer Supernova korrekt und vollständig sind. Aber auch für die alternativen Quellen seien bessere Modelle vonnöten, um sie bestätigen oder ausschließen zu können, so Janka. Hier setzt die heute erreichbare Rechenkapazität aber oftmals noch Grenzen. Den elegantesten Ausweg aus der Misere böte wohl ein Blick auf jüngst explodierte Supernovae. Die gesuchten Elemente ließen sich aber nur in der Milchstraße präzise vermessen und hier finden diese Ereignisse nur rund alle 50 Jahre statt, erklärt Janka. So oder so heißt es also abwarten.