Kernphysiker vollziehen im Labor nach, wie die schweren Elemente im Kosmos erzeugt werden.

Am vierten Juli 1054 meldeten Chinas Astrologen ihrem Kaiser ein ungewöhnliches Ereignis: In der Nacht war plötzlich ein neuer, auffällig hell leuchtender Stern am Firmament aufgeflammt. Hoch erfreut ließ der Kaiser im ganzen Land Feste zu Ehren des Neuankömmlings ausrichten. Denn seine Astrologen sahen in dem „Sternengast“, wie die Himmelserscheinung in den Annalen der Sung Dynastie genannt wird, einen „Lebensspender“, der „reiche Ernten für die kommenden Jahre“ versprach.

Ob Chinas Bauern in der Folgezeit tatsächlich bessere Erträge erzielten, ist nicht überliefert. Man weiß heute aber, dass die kaiserlichen Sterndeuter mit ihrer Interpretation des Himmelsphänomens als „Lebensspender“ gar nicht so unrecht hatten. Was sie beobachtet hatten, war nämlich die gewaltige Explosion einer Supernova.

Beim dramatischen Ende eines massereichen Sterns, einer sogenannten Supernova, entsteht ein großer Teil jener Atome, ohne die sich Pflanzen und Tiere auf der Erde nie entwickelt hätten. „Alle schweren Elemente auf unserem Planeten wurden in den Sternen des Universums erzeugt“, sagt Karl-Ludwig Kratz, Kernchemiker an der Universität Mainz. „Wollen wir verstehen, woher Kohlenstoff, Jod oder Gold stammen, müssen wir uns die Reaktionen anschauen, die im Inneren der Sterne ablaufen.“

Weil es schwierig ist, von der Erde aus ins Innere der Sterne zu schauen, versuchen Kernphysiker das kosmische Geschehen im Labor nachzustellen. Dabei richten sie ihr Augenmerk vor allem auf die Synthese der Atome, die schwerer als Eisen sind. Denn wie die Elemente bis Eisen entstehen, ist hinlänglich bekannt. Sie bilden sich beim Verschmelzen leichterer Kerne im Zentrum der Sterne. Eisenatome sind aber so stabil, dass ein Zusammenschluss mit weiteren Kernen keinen Energiegewinn bringt und daher selten stattfindet. Massereichere Elemente müssen in den Sternen also bei anderen Vorgängen entstehen.

Eine Möglichkeit ist der Einfang von Neutronen. Normalerweise kommen übermäßig neutronenhaltige Kerne in der Natur nicht vor. Bei einer Supernova-Explosion bilden sich im Inneren des zerberstenden Sterns jedoch extrem dichte Neutronenflüsse. Wenn ein Kern in diesen Strom gerät, kann er innerhalb von wenigen Sekunden eine Vielzahl zusätzlicher Neutronen an sich binden. Es entstehen kurzlebige massereiche Kerne, die sich sogleich über sogenannte Beta-Zerfälle weiterverwandeln – solange, bis schließlich ein neues stabiles Element zurückbleibt. Um den stellaren Schöpfungsakt eingehend zu studieren, erzeugen die Kernphysiker künstlich neutronenreiche Kerne.

Am Beschleuniger des Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt werden beispielsweise Uranpartikel auf eine zentimeterdicke Metallscheibe geschossen. Die besonders neutronenhaltigen Trümmer werden in einem komplizierten Filtersystem nach Kernladung sowie Masse getrennt und anschließend untersucht. Aus den Bildungswahrscheinlichkeiten und Zerfallseigenschaften der neutronenreichen Kerne können die Wissenschaftler ermitteln, mit welcher Häufigkeit die schweren Elemente entstehen.

Explodierende Sterne sind allerdings nicht die einzigen Produktionsstätten für schwere Elemente im All. Auch in „Roten Riesen“ formen sich massereiche Kerne. In ihrer letzten Lebensphase zu einem gigantischen rötlich leuchtenden Feuerball aufgebläht, beziehen solche Gestirne einen Teil ihrer Energie aus dem Verschmelzen von Heliumkernen zu Kohlenstoff. Dabei werden Neutronen freigesetzt, die sich mit leichteren Atomkernen in der Gashülle des Sterns verbinden und neue stabile Elemente bilden können. Weil die Temperaturen, der Druck und die Zahl der herumschwirrenden Neutronen in Roten Riesen längst nicht so hoch sind wie bei einer Supernova-Explosion, dauert die Elementsynthese diesmal keine Sekunden, sondern Jahrtausende.

In beiden Prozessen zusammen werden rund 99 Prozent aller schweren Elemente erzeugt. Die anderen bevorzugen einen exklusiveren Entstehungsweg. Anstatt Neutronen anzulagern, binden sie zusätzliche Protonen an sich. Dies geschieht zum Beispiel dann, wenn Wasserstoffgas aus der Hülle eines Roten Riesen auf einen benachbarten, schon erloschenen Stern trifft. Das Gas entzündet sich an der Oberfläche dieses „Weißen Zwergs“ und es kommt zu einer Kernexplosion. In diesem Supernova-Ausbruch verschmelzen Protonen aus dem Wasserstoffgas mit Atomkernen des Zwergsterns. Am Beschleunigerzentrum CERN will ein internationales Wissenschaftlerteam demnächst die so entstehenden Kerne unter die Lupe nehmen. „Denn nur wenn wir alle Prozesse genau kennen, die zur Elementsynthese im Universum beitragen, können wir die zugehörigen astrophysikalischen Theorien testen“, sagt Dieter Habs von der Universität München, der das Projekt mit dem Namen „Rex-Isolde“ mitentwickelt hat. Und nur dann lässt sich komplett nachvollziehen, wie die Vielfalt der Elemente entstand.