Neue Berechnungen zu ersten Kohlenstoff-Atomen im Universum

Mit dem Jülicher Supercomputer JUGENE simulierten Forscher die genauen Energiezustände, die zur Entstehung des Kohlenstoffs und damit letztlich zur Entwicklung von organischen Verbindungen führten

JUGENE
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Jülich - Kohlenstoff ist einer der chemischen Grundbausteine des Lebens. Die ersten Kohlenstoff-Kerne entstanden durch die Fusion von Helium im Inneren von Sternen. Welche Prozesse dabei grundsätzlich zwischen den Atomkernen ablaufen, konnten Forscher erstmals in den fünfziger Jahren in Experimenten zeigen. Eine exakte Berechnung gelang jetzt einem Team aus Wissenschaftlern der Universitäten Bonn und Bochum, dem Forschungszentrum Jülich sowie der US-amerikanischen North Carolina State University. Durch Veränderungen ihrer Simulationen, die sie mithilfe des Jülicher Supercomputers JUGENE durchführten, können die Forscher nun sogar testen, ob der gleiche Vorgang auch unter leicht veränderten Bedingungen hätte stattfinden können - oder ob die Entstehung des Kohlenstoffs ausschließlich unter den bestehenden Naturkonstanten möglich war.

Bei der Kernfusion zur Bildung von Kohlenstoff schließen sich zunächst zwei Heliumkerne zu einem Berylliumkern zusammen. Da der Berylliumkern mit einer Halbwertszeit von etwa 10 hoch -16 Sekunden sehr instabil ist, muss fast gleichzeitig ein weiterer Heliumkern dazu stoßen, damit Kohlenstoff-12 entstehen kann. Diese Reaktion, auch Drei-Alpha-Prozess genannt, setzt nicht nur hohe Temperaturen und Drücke voraus, sondern auch bestimmte begünstigte Energiezustände, welche die Übergänge bei der Fusion der Kerne erleichtern. Bei einer Verschmelzung mit einem vierten Heliumkern zu Sauerstoff sind die Zustände weniger günstig, deshalb ist der heutige Anteil des Elements Sauerstoff im Universum wesentlich geringer als der des Kohlenstoffs.

Der Energiezustand, in dem sich die Kerne beim Zusammenschluss befinden, heißt Hoyle-Zustand, benannt nach dem britischen Physiker Fred Hoyle. Der Zustand lässt sich nur schwer berechnen, da die Heliumkerne darin sehr lose gebunden sind. Außerdem kann er nicht isoliert beobachtet werden, sondern kommt stets mit anderen, wesentlich weniger diffusen Formen des Kohlenstoffs vor. "Das ist, wie wenn Sie ein Radiosignal untersuchen wollen, bei dem ein Hauptsender und mehrere schwächere Sender überlagert sind", erklärt Evgeny Epelbaum vom Institut für Theoretische Physik II der Universität Bochum.

Um das "schwache Signal" rauszufiltern, nutzten die Forscher Rechenmodelle, mit denen sich die Kräfte zwischen mehreren Kernbausteinen genauer simulieren lassen als bisher. Der Supercomputer JUGENE des Forschungszentrums Jülich führte die nötigen Operationen in weniger als einer Woche durch. Die Ergebnisse passen so gut zu den experimentellen Daten, dass die Forscher überzeugt sind, den Vorgang vom Anfang bis zum Ende korrekt dargestellt zu haben.

Als Nächstes könnte das Team mit seinen Modellen überprüfen, ob der Hoyle-Zustand tatsächlich dem anthropischen Prinzip unterliegt, wie viele Wissenschaftler vermuten. Das Anthropische Prinzip besagt, dass das Universum deshalb so beschaffen ist, wie wir es beobachten, weil es sich nur bei den herrschenden Naturkonstanten auf eine Weise entwickeln konnte, die Leben zulässt. Ein anderes Szenario können wir also gar nicht erleben, weil wir in ihm nicht existieren würden. Wenn das Prinzip auch im Falle des Hoyle-Zustands zutrifft, müsste sich seine Energie unter anderen Parametern im Vergleich zur Masse der Heliumkerne so verändern, dass der Übergang zum Kohlenstoff deutlich unwahrscheinlicher wird.