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Eine Illustration zeigt die Kollision zweier Neutronensterne – ein Ereignis, bei dem die schwersten Elemente des Universums zusammengeführt werden (Bildnachweis: NASA/Swift/Dana Berry)

Forscher haben fünf neue Isotope synthetisiert, die dazu beitragen könnten, die Sterne auf die Erde zu bringen – und die Wissenschaftler einen Schritt näher an das Verständnis heranführen, wie Kollisionen zwischen ultradichten, toten Sternen schwere Elemente wie Gold und Silber erzeugen könnten.

Bei den Isotopen handelt es sich um Thulium-182, Thulium-183, Ytterbium-186, Ytterbium-187 und Lutetium-190; es ist das erste Mal, dass sie auf der Erde synthetisiert worden sind. Ihre Herstellung erfolgte in der Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) an der Michigan State University (MSU) und stellt einen Schritt auf dem Weg zur Bildung von Atomen auf der Erde dar, die normalerweise nur in der ultraturbulenten Umgebung verschmelzender toter Sterne, den sogenannten Neutronensternen, entstehen.

„Das ist der aufregende Teil“, sagte Alexandra Gade, wissenschaftliche Leiterin des FRIB und Professorin an der Fakultät für Physik und Astronomie der MSU, in einer Erklärung. „Wir sind zuversichtlich, dass wir den für die Astrophysik wichtigen Kernen noch näher kommen können.“

Was ist ein Isotop?

Jedes chemische Element des Periodensystems wird durch die Anzahl der Protonen in seinen Atomkernen definiert. Wasserstoff hat zum Beispiel immer ein Proton, Helium hat immer zwei und Eisen hat 26. Wasserstoff kann nicht zwei Protonen haben, und Eisen kann nicht 25 Protonen haben; sonst wären sie nicht mehr Wasserstoff oder Eisen.

Allerdings sind Protonen in Atomkernen durch Neutronen verbunden, und die Anzahl dieser Teilchen kann variieren, ohne die Natur eines Elements zu verändern. Kerne mit einer unterschiedlichen Anzahl von Neutronen werden als Isotope eines Elements bezeichnet. Zu den Isotopen des Eisens gehören Eisen-54 mit 26 Protonen und 28 Neutronen, Eisen-56 mit 26 Protonen und 30 Neutronen und Eisen-57 mit 26 Protonen und 31 Neutronen. Tatsächlich wurden sie bisher noch nie auf unserem Planeten gefunden.

„Dies ist wahrscheinlich das erste Mal, dass diese Isotope auf der Erdoberfläche existieren“, sagte Bradley Sherrill, Universitätsprofessor am College of Natural Science der MSU und Leiter der Abteilung für fortgeschrittene Seltene Isotope am FRIB, in der Erklärung. „Ich ziehe gerne die Analogie zu einer Reise. Wir haben uns darauf gefreut, irgendwohin zu gehen, wo wir noch nie zuvor waren, und dies ist der erste Schritt. Wir haben unser Zuhause verlassen und beginnen, es zu erkunden.“

Die fünf neuen Isotope, die in der Anlage für seltene Isotopenstrahlen an der Michigan State University synthetisiert wurden. (Bildnachweis: FRIB/MSU)

Superschwere Isotope und superschwere Elemente

Sterne kann man sich im Allgemeinen als Kernbrennöfen vorstellen, in denen die Elemente des Universums geschmiedet werden, beginnend mit der Fusion von Wasserstoff zu Helium, das dann zu Stickstoff, Sauerstoff und Kohlenstoff fusioniert wird.

Die massereichsten Sterne in unserem Universum können Elemente des Periodensystems bis hin zu Eisen schmieden, aber Wissenschaftler glauben, dass selbst diese leistungsstarken Sternenöfen nicht ausreichen, um Elemente zu erzeugen, die schwerer sind als diese. Was aber, wenn zwei Sterne ihre Öfen miteinander verbinden? Und das auch noch ziemlich heftig?

Wenn sterbende, massereiche Sterne mit ihren Eisenkernen nicht mehr zu schwereren Elementen verschmelzen können, erlischt auch die Energie, die diese Sterne gegen den Druck ihrer eigenen Schwerkraft nach innen gestützt hat. Dies führt dazu, dass die Kerne kollabieren, während die äußeren Schichten durch gewaltige Supernovaexplosionen weggesprengt werden.

Dieser Kollaps kann jedoch gestoppt werden, wenn sich die Elektronen und Protonen in diesen Kernen in ein Meer von Neutronen verwandelt haben, die durch einen Aspekt der Quantenphysik, die so genannte „Entartung“, daran gehindert werden, sich zusammenzupressen. Dieser Entartungsdruck kann überwunden werden, wenn ein Sternkern über genügend Masse verfügt, was zu einem vollständigen Kollaps und der Entstehung eines Schwarzen Lochs führt. Aber manchmal ist nicht genug Masse vorhanden. Diese bleiben als tote, superdichte Neutronensterne zurück.

Außerdem bedeutet das Ende dieses Prozesses nicht das Ende der Kernfusion für Neutronensterne, wenn sie zufällig in einem Doppelsternsystem mit einem anderen massereichen Stern existieren, der ebenfalls kollabiert ist, um einen Neutronenstern zu gebären. Wenn diese ultradichten Sterne mit einer ein- bis zweifachen Sonnenmasse auf einer Breite von etwa 20 Kilometern umeinander kreisen, senden sie Wellen in der Raumzeit aus, die als Gravitationswellen bezeichnet werden.

Diese Gravitationswellen entziehen dem System Drehimpuls, wodurch sich die Neutronensterne zusammenziehen und weitere Gravitationswellen mit größerer Intensität aussenden. Dies setzt sich fort, bis die beiden schließlich zusammenstoßen.

Es überrascht nicht, dass die Kollisionen binärer Neutronensterne angesichts ihrer extremen Natur eine sehr gewalttätige Umgebung schaffen. Dabei wird zum Beispiel neutronenreiche Materie herausgeschleudert, von der man annimmt, dass sie für die Synthese von Gold und anderen schweren Elementen wichtig ist.

Das liegt daran, dass diese freien Neutronen von anderen Atomkernen in der Umgebung im so genannten Rapid-Capture-Prozess oder „r-Prozess“ eingefangen werden können. Diese gierigen Atomkerne werden dann schwerer und erzeugen überschwere Isotope, die instabil sind. Es wird erwartet, dass diese instabilen Isotope schließlich in stabile Elemente wie Gold zerfallen, die leichter sind als überschwere Elemente, aber immer noch schwerer als Eisen.

„Es ist nicht sicher, aber man glaubt, dass das gesamte Gold auf der Erde bei Kollisionen mit Neutronensternen entstanden ist“, sagt Sherrill. Tatsächlich hat das James-Webb-Weltraumteleskop kürzlich den bisher besten Beweis für diese Theorie gefunden.

Wie können wir also mit Sicherheit feststellen, ob dieser Prozess stattfindet?

Wenn Wissenschaftler die am r-Prozess beteiligten superschweren Elemente nachbilden könnten, könnten sie die Entstehung von Gold und anderen schweren Elementen besser verstehen. Leider ist die Entstehung von Thulium-182, Thulium-183, Ytterbium-186, Ytterbium-187 und Lutetium-190 nicht möglich. Diese Isotope, die durch den Beschuss eines Kohlenstofftargets mit Platinionen am FRIB gebildet wurden, sind zwar nicht in den Trümmern von Neutronensternkollisionen zu finden, aber ihre Existenz auf der Erde ist definitiv ein Schritt zur Erzeugung dieser kurzlebigen überschweren Übergangselemente auf unserem Planeten, um zu sehen, ob sie zu Elementen wie Gold führen.

Im weiteren Verlauf könnte ein besseres Verständnis dieser neu entstandenen Isotope auch wichtige Auswirkungen auf die Kernphysik haben.

„Es ist keine große Überraschung, dass diese Isotope existieren, aber jetzt, wo wir sie haben, gibt es Kollegen, die sehr daran interessiert sind, was wir als nächstes messen können“, schloss Gade. „Ich fange bereits an, darüber nachzudenken, was wir als Nächstes tun können, um ihre Halbwertszeiten, ihre Massen und andere Eigenschaften zu messen.

Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am Donnerstag (15. Februar) in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.