Technische Universität Darmstadt
Woher kommen Gold und Platin im Universum? - Darmstädter Forschende verbessern Modelle zur Entstehung schwerer Elemente
Woher kommen Gold und Platin im Universum?
Darmstädter Forschende verbessern Modelle zur Entstehung schwerer Elemente
Woher stammen Gold, Platin oder Uran? Diese Frage beschäftigt Astrophysik und Kernphysik seit Jahrzehnten. Ein Forschungsteam der Technischen Universität Darmstadt hat nun einen wichtigen Schritt zum Verständnis der Entstehung dieser schweren Elemente gemacht. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ veröffentlicht und zeigen erstmals, wie moderne ab-initio-Berechnungen von Atomkernen die Vorhersagen für die sogenannte r-Prozess-Nukleosynthese deutlich verbessern können.
Etwa die Hälfte aller Elemente, die schwerer sind als Eisen, entsteht im sogenannten schnellen Neutroneneinfangprozess, kurz r-Prozess. Dieser läuft unter extremen Bedingungen ab, etwa bei der Kollision zweier Neutronensterne. Dabei werden Atomkerne innerhalb kürzester Zeit mit Neutronen bombardiert und bilden so immer schwerere Elemente.
Das Problem: Viele der beteiligten Atomkerne sind extrem neutronenreich und können nicht im Labor untersucht werden. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sind daher auf theoretische Modelle angewiesen, deren Vorhersagen insbesondere weit entfernt von experimentell bekannten Kernen oft stark voneinander abweichen. Manche der exotischen Atomkerne können von Forschungsanlagen wie FAIR des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung in Darmstadt erzeugt werden. “Die Studie zeigt damit auch, dass sich der größtmögliche Erkenntnisgewinn durch die Kombination neuer Experimente mit modernsten theoretischen Modellen für Schlüsselregionen von neutronenreichen Kernen erzielen lässt“, erklärt Almudena Arcones, Professorin für Theoretische Astrophysik an der TU Darmstadt. „So sind die Berechnungen auch von wichtiger Bedeutung, um die relevantesten Isotope zu identifizieren, die in künftigen Experimenten untersucht werden sollten.”
Atomkerne aus fundamentalen Naturgesetzen berechnet
Die Forschenden nutzten erstmals Kernmassen, die mit einer modernen „Ab-initio-Methode“ berechnet wurden. Anders als viele etablierte Modelle basiert dieser Ansatz direkt auf den grundlegenden Wechselwirkungen zwischen Protonen und Neutronen und erlaubt es, die theoretischen Unsicherheiten abzuschätzen.
Mit Hilfe der sogenannten Valence-Space In-Medium Similarity Renormalization Group (VS-IMSRG)-Methode berechneten Takayuki Miyagi und Achim Schwenk die Eigenschaften von 70 besonders wichtigen Atomkernen in der Umgebung der magischen Neutronenzahl N = 82. Diese Region spielt eine zentrale Rolle bei der Bildung des sogenannten zweiten r-Prozess-Peaks, einer charakteristischen Häufung bestimmter schwerer Elemente im Universum.
Die neuen Berechnungen wurden anschließend in umfangreiche Simulationen der Elemententstehung eingebunden, darunter Szenarien von Neutronenstern-Verschmelzungen sowie anderen extremen astrophysikalischen Ereignissen.
Schwerere Elemente entstehen langsamer als bislang angenommen
Die Ergebnisse zeigen, dass die neu berechneten Kernmassen den Materialfluss im r-Prozess stärker bremsen als bisherige Modelle. Materie sammelt sich dadurch länger in einer bestimmten Kernregion an, bevor die Synthese noch schwererer Elemente fortgesetzt wird.
„Bereits vergleichsweise kleine Änderungen der Kernmassen können die vorhergesagten Häufigkeiten schwerer Elemente im Universum deutlich beeinflussen“, sagt Erstautor Jan Kuske, der dazu in der Arbeitsgruppe von Professorin Arcones promovierte. Die Studie sagt insbesondere eine stärkere Ausprägung des zweiten r-Prozess-Peaks sowie eine Verschiebung des dritten Peaks voraus. Damit liefert sie neue Hinweise darauf, wie Gold, Platin und andere schwere Elemente nach Neutronenstern-Kollisionen entstehen.
Wegweiser für zukünftige Experimente
Die Forschenden betonen, dass viele der für den r-Prozess relevanten Kerne auch mit den kommenden Generationen von Beschleunigeranlagen nur schwer zugänglich sein werden. Deshalb gewinnen präzise theoretische Methoden zunehmend an Bedeutung. Die Studie zeigt, dass Ab-initio-Berechnungen inzwischen ein Niveau erreicht haben, auf dem sie direkt zu einem besseren Verständnis astrophysikalischer Prozesse beitragen können.
Diese Arbeiten wurden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (SFB 1245) und dem Europäischen Forschungsrat (ERC AdG EUSTRONG) gefördert.
Die Publikation:
J. Kuske, T. Miyagi, A. Arcones und A. Schwenk: “r-process nucleosynthesis with ab initio nuclear masses around the N = 82 shell closure”, in "Physical Review Letters" 2026. DOI: https://doi.org/10.1103/k4lv-436c
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