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Schwere Elemente bei Neutronensternverschmelzungen nachgewiesen

Vorhersagen des GSI bestätigt

18.10.2017

ion42

Am künftigen Beschleunigerzentrum FAIR können Bedingungen für weitere Forschung rund um Neutronensterne simuliert werden.

Zentrale Vorhersagen von GSI-Wissenschaftler zur Entstehung schwerer Elemente wie Gold und Platin im Universum sind nun astrophysikalisch beobachtet worden. Erstmals konnten Gravitationswellen von verschmelzenden Neutronensternen nachgewiesen werden. Damit rückt auch das künftige Beschleunigerzentrum FAIR noch stärker in den wissenschaftlichen Fokus, da dort Bedingungen für weitere Forschungen rund um Neutronensterne simuliert werden können.

Am 16. Oktober hat ein internationales Team von Wissenschaftlern, darunter Mitglieder der Kollaborationen am Gravitationswellen-Observatorium LIGO in den USA und am Gravitationswellen-Detektor Virgo in Italien sowie mehrerer astronomischer Gruppen, die erstmalige Beobachtung von Gravitations- und elektromagnetischen Wellen einer Neutronensternverschmelzung bekanntgegeben. Es ist spekuliert worden, dass Neutronensternverschmelzungen die bislang unbekannte astrophysikalische Quelle für die schwere Elemente wie Gold, Platin und Uran im Universum sind. Im Jahr 2010 hat eine internationale Kollaboration, geleitet von Gabriel Martínez-Pinedo (GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung und Technische Universität Darmstadt) und Brian Metzger (Columbia University) darauf hingewiesen, dass die Synthese von schweren Elementen in einer Neutronensternverschmelzung zu Emission eines eindeutigen elektromagnetischen Signals führt.

Das nun beobachtete elektromagnetische Signal zeigt in der Tat das vorhergesagte charakteristische Muster und bestätigt somit, dass die astrophysikalische Quelle der schweren Elemente nun endlich gefunden ist, und eine der 11 wichtigsten ungelösten Fragen der Physik, wie sie die US National Academies 2003 formuliert haben, beantwortet wurde. Dieser wissenschaftliche Durchbruch stellt das künftige Beschleunigerzentrum FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research), das zur Zeit in Darmstadt entsteht, noch stärker in den wissenschaftlichen Fokus, da dort erstmals die kurzlebigen neutronenreichen Kerne, die das elektromagnetische Signal erzeugen, hergestellt und studiert werden können.

Vor 60 Jahren wurden die wesentlichen Prozesse, die zur Entstehung der Elemente im Universum führen, erstmals beschrieben. Seitdem ist es gelungen, die astrophysikalischen Quellen fast aller Prozesse zu identifizieren. Die Ausnahme bildet der sogenannte r-Prozess, der etwa die Hälfte der Elemente schwerer als Eisen produziert. Dieser Prozess verlangt eine extrem hohe Dichte an Neutronen. Unter diesen astrophysikalischen Bedingungen verlaufen Neutroneneinfänge an Kernen schneller als die konkurrierenden Beta-Zerfälle verlaufen. „Die Identifikationen des astrophysikalischen Orts, an dem die Elemente schwerer als Eisen im Universum produziert werden, wird als eines der Jahrhundertprobleme der Physik angesehen“, sagt Friedrich-Karl Thielemann, Professor an der Universität Basel und auch Mitglied der GSI Theorieabteilung, der 1999 die ersten Nukleosyntheserechnungen durchführte, die zeigten, dass ein R-Prozess in dem Material, das bei der Verschmelzung von Neutronensternen emittiert wird, ablaufen kann.

Fast gleichzeitig wurde vorgeschlagen, dass der radioaktive Zerfall des frisch synthetisierten Materials ein elektromagnetisches Signal erzeugen würde. Die erste realistische Vorhersage dieses Signals wurde 2010 von einem internationalen Team unter Leitung von Gabriel Martinez-Pinedo und Brian Metzger gegeben. Dem Team gehörten auch Almudena Arcones, GSI und Technische Universität Darmstadt, und Aleksandra Kelic, GSI, an, wobei letztere zusammen mit dem GSI-Wissenschaftler Karl-Heinz Schmidt wichtige experimentelle Anleitungen gab. Diese Kollaboration sagte vorher, dass die Leuchtstärke der Neutronensternverschmelzung tausend Mal stärker als bei einer Nova sein würde und ihr Maximum nach etwa einem Tag erreichen würde. Das Ereignis wurde deshalb 'Kilonova' getauft. Diese Vorhersage wurde nun durch die Beobachtung des Gegenparts von GW170817 im optischen und infrarotem Bereich bestätigt. „Dies ist ein einmaliger Vorgang in der Astrophysik“, sagt Gabriel Martinez-Pinedo. „Normalerweise beobachten Astronomen ein neues Phänomen, das dann Jahre später von Theoretikern erklärt wird. Hier haben wir ein neuartiges astrophysikalisches Signal ohne vorherige astronomische Hinweise antizipiert, das dann durch die Beobachtung bestätigt wurde.“

Mehrere Beobachtungen deuten darauf hin, dass das beobachtete elektromagnetische Signal von radioaktiven Zerfällen von r-Prozesskernen erzeugt wird. Die Zeitabhängigkeit des Signals entspricht derjenigen, das erwartet wird, wenn die Energie aus dem Zerfall eines großen Ensembles zerfallender Kerne stammt. Ferner zeigt die Farbentwicklung des Signals, dass eine große Zahl von r-Prozesskernen aus leichteren um die Ladungszahl Z=50 in schwerere Kerne umgewandelt wurden. Es wird geschätzt, dass das Ereignis GW170817 ungefähr 0.06 Solarmassen von r-Prozessmaterial, darunter das Zehnfache der Erdmasse an Gold und Uran, produziert hat.

Die LIGO- und Virgo Kollaborationen gehen davon aus, dass ab 2019, wenn die Detektoren ihre volle Kapazität erreicht haben, Neutronensternverschmelzungen etwa einmal pro Woche beobachtet werden. Dies wird eine vollständig neue Epoche im Verständnis der Nukleosynthese schwerer Elemente einläuten, die auch zum Verständnis der Beobachtungen hochpräzise kernphysikalische Daten, vor allem von neutronenreichen Kernen, aber auch von den Eigenschaften von Kernmaterie verlangen.

Deshalb ist es sehr vorteilhaft, dass mit FAIR der Beschleunigerkomplex, der benötigt wird, um diese Daten zu beschaffen, schon in Darmstadt gebaut wird. Erste Resultate werden schon von der im Jahr 2018 durchgeführten FAIR-Phase 0 Experimenten erwartet. Nach seiner Fertigstellung im Jahr 2025 wird FAIR dann sein vollständiges wissenschaftliches Potential entwickeln und weltweit einzigartige Möglichkeiten zur Erzeugung und Studium der schweren r-Prozesskerne bieten. Bis dahin werden die GSI Theoretiker ihre Forschungen fortführen und ausloten, welches die Schlüsselinformationen zur vollständigen Charakterisierung des elektromagnetischen Signals von Neutronensternverschmelzungen sind und welche Rückschlüsse sie auf die r-Prozess-Nukleosynthese zulassen.

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