Stuttgarter Astrophysiker erzielen Weltrekord in der Messgenauigkeit: Neue Daten für Elemententstehung

Neue Daten für Sternmodelle und die Entstehung der
chemischen Elemente. Gleich mit zwei wissenschaftlichen Publikationen haben Stuttgarter Astrophysiker in den vergangenen Monaten die Fachwelt aufhorchen lassen: Die in den Physical Review Letters (Vol. 86, Nr. 15, 9. April 2001; Vol. 87, Nr. 20, 12. November 2001) veröffentlichten Ergebnisse aufwendiger experimenteller Messungen legen es nahe, daß die Kapitel über die Entstehung der Elemente in den Sternen und über die Lebensgeschichte von Sternen neu konzipiert werden müssen. Einer internationalen Arbeitsgruppe am Institut für Strahlenphysik der Universität Stuttgart (IfS) unter der Leitung von Dr. Wolfgang Hammer, in Zusammenarbeit mit Forschern aus Athen, Mainz und Tübingen, ist es gelungen, mit verbesserten Meßmethoden die beiden „wichtigsten“ Kernreaktionen in Sternen neu zu vermessen. Mit der in den Experimenten erreichten Messempfindlichkeit stellten die Stuttgarter sogar einen Weltrekord auf.

Schlüssel zur Entstehung der Elemente
Bei der ersten der beiden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Untersuchungen handelt es sich um die Fusion von Kohlenstoff mit Helium zu Sauerstoff (PRL Vol. 86). Die Stärke dieser Reaktion bestimmt maßgeblich die Häufigkeit und das Verhältnis der Elemente Kohlenstoff und Sauerstoff im Universum und damit auch auf unserem Planeten. Beiden Elementen kommt eine zentrale Rolle bei der Entstehung und der Existenz organischen Lebens zu. Die Fusionsreaktion wirkt sich jedoch auch ganz entscheidend auf die Produktion der schweren Elemente in Sternen aus, da der überwiegende Teil der chemischen Elemente in Sternen über ein sehr komplexes Netzwerk von Kernreaktionen aus den leichtesten Bausteinen Wasserstoff und Helium gebildet wird. Mit anderen Worten: Das „Baumaterial“ für die schweren Elemente durchläuft in einer frühen Phase das Kohlenstoff- und Sauerstoffstadium, deshalb betrachtet man diese Reaktion als „die“ Schlüsselreaktion der Nukleosynthese. Die neuen Resultate wurden von Ralf Kunz im Rahmen seiner Doktorarbeit erarbeitet.
Rote Riesen als Neutronenfabrik
Bei der zweiten fundamentalen Reaktion (PRL Vol. 87), die von der Stuttgarter Arbeitsgruppe untersucht wurde, handelt es sich um die wichtigste neutronenliefernde Reaktion, wie sie in den massereichen Sternen des Universums abläuft. Bei ihr fängt ein Neon-22-Kern einen Heliumkern (Alpha-Teilchen) ein und daraus entsteht das für die weitere Elemententstehung so wichtige Neutron und ein Magnesium-25-Kern. Die Neutronen sind für den Aufbau der schweren Elemente entscheidend, denn als ungeladene Teilchen können sie noch von Kernen schwerer als Eisen (Masse 56) eingefangen werden.
Der Hauptteil der Elemente bis zur Masse 100 wird in den sogenannten Roten Riesen erzeugt. Diese Sterne sind in der Regel etwa 15 bis 50 mal schwerer als unsere Sonne und in ihrem Innern herrschen Temperaturen von etwa 200 Millionen Grad. Die extrem hohen Temperaturen blähen die Riesensterne immer weiter auf; unsere Sonne wird in ihrem Endstadium als Roter Riese bis etwa zur Marsbahn reichen. Als Brennstoff haben die Roten Riesen ihren Vorrat an Wasserstoff verbraucht und nur noch Helium zurückbehalten. Die Temperaturen sind nun jedoch so hoch, dass Reaktionen mit Helium einsetzen können, in deren Verlauf auch immer mehr Neutronen für die schweren Elemente erzeugt werden.
Messgenauigkeit – Jahrmillionen auf Tage verkürzen
Um astrophysikalische Reaktionen wie die Kohlenstoff-Helium-Fusion oder die Neutronenproduktion, innerhalb einer erträglichen Zeitspanne von Wochen oder Monaten messen zu können, obwohl sie doch in den Sternen während Jahrmillionen bis -milliarden ablaufen, braucht man geeignete experimentelle Bedingungen. Trotz der hohen Temperaturen im Sterninnern verlaufen die allermeisten Kernreaktionen sehr langsam, also mit einer sehr kleinen Wahrscheinlichkeit. Und die überhaupt messbare Strahlung der experimentell im Labor erzeugten Reaktionen ist so schwach, dass man sehr viel an Technik aufbieten muss, um sie aus allen Störfaktoren wie der allgegenwärtigen Untergrundstrahlung und der kosmischen Höhenstrahlung herausfiltern zu können.
DYNAMITRON schießt auf RHINOCEROS
Die Stuttgarter Forscher profitierten dabei zunächst von der hohen Teilchenintensität, die der DYNAMITRON-Beschleuniger des Instituts für Strahlenphysik der Universität Stuttgart leistet und der sich daher für Experimente aus der Astrophysik besonders eignet. Auch die bei den Messungen eingesetzten sensiblen Detektoren wurden zum Teil am Stuttgarter Institut selbst entwickelt und für das Messproblem maßgeschneidert. Zur Untersuchung der Reaktionen von Gasatomen mit Ionenstrahlen haben die Stuttgarter Physiker speziell eine wandlose Gastargetanlage entwickelt – zunächst zur Erforschung nuklear gepumpter Laser – die wegen ihrer Masse liebevoll RHINOCEROS genannt wird. Damit ist es möglich, einen Projektilstrahl direkt aus dem Hochvakuum in ein Gasvolumen zu schießen, ohne dass dieser Strahl irgendeine störanfällige und hemmende Trennfolie durchdringen muss. Ein neu entwickelter Stuttgarter Neutronendetektor weist von den gesuchten Neutronen absolut jedes zweite nach, was dem technisch maximal Erreichbaren ziemlich nahe kommt, so daß die Messungen zur Neutronenentstehung mit einer bisher weltweit unerreichten Empfindlichkeit im Zuge der Doktorarbeit von Michael Jaeger durchgeführt werden konnten. An den Messungen waren auch Armin Mayer und Michael Fey beteiligt.
Neue astrophysikalische Reaktionsrate aufgestellt
In beiden Experimenten ist die Wahrscheinlichkeit der Reaktion äußerst gering und der Ablauf dagegen gleichzeitig hochkomplex. Dennoch benötigt man besonders ergiebige experimentelle Daten, die auch für die Extrapolation in zeitlich gar nicht mehr messbare Bereiche verwendet werden können. Die astrophysikalischen Reaktionsraten der Stuttgarter Gruppe, das Endprodukt aller Experimente, Messungen und Interpolationen, unterscheiden sich im Absolutwert von derjenigen anderer Forschungsgruppen. Ganz entscheidend ist jedoch, daß die Fehlergrenzen, also der Bereich der Unsicherheit, bei den neuen Reaktionsraten deutlich reduziert werden konnte. Denn die gesteigerte Empfindlichkeit hat große Auswirkungen auf die Fehlerquote bei der Umsetzung der Daten in die daraus abgeleitete Erklärung der Sternentwicklung. Mit den Stuttgarter Messungen konnte bei der Neon-Reaktion die Unsicherheit von einem unakzeptablen Faktor 500 auf 5, also um das Hundertfache gesenkt werden. Eine weitere Steigerung wäre nur denkbar, wenn man die Experimente, also die gesamte Laboranlage, einen Kilometer tief unter die Erdoberfläche verlegt, um der störenden Höhenstrahlung zu entgehen. „Die in unseren Messungen gewonnenen neuen Daten werden neue Berechnungen zur Nukleosynthese und zu den Sternmodellen möglich, aber auch erforderlich machen“, sagt Dr. Wolfgang Hammer, Leiter der Astrophysik-Arbeitsgruppe am IfS.
Kontakt: Prof. Dr. Ulrich Kneißl, Dr. J. Wolfgang Hammer, Institut für Strahlenphysik (IfS), Tel. 0711/685-3872 bzw. -3888; Fax 0711/685-3866
E-Mail: kneissl@ifs.physik.uni-stuttgart.de, hammer@ifs.physik.uni-stuttgart.de