Kollisionen mit Neutronensternen können Gold langsamer als erwartet schmieden

Neutronensternkollisionen können Gold, Platin und andere schwere Elemente langsamer produzieren als bisher angenommen, so eine aktuelle Studie unter der Leitung von Forschern der Technischen Universität Darmstadt. Die Ergebnisse, die in Physical Review Letters veröffentlicht wurden, legen nahe, dass der schnelle Neutronenfangprozess, der sogenannte r-Prozess, stärker von der Masse der Atomkerne beeinflusst wird als frühere Modelle angenommen hatten. Diese Entdeckung könnte das Verständnis der Wissenschaftler über die Synthese schwerer Elemente im Kosmos umgestalten. Die Studie konzentrierte sich auf den r-Prozess, der für die Erzeugung von etwa der Hälfte aller schwereren Elemente als Eisen verantwortlich ist.

Dieser Prozess tritt typischerweise bei gewaltsamen astrophysikalischen Ereignissen wie der Kollision zweier Neutronensterne auf. Während dieser Kollisionen absorbieren Atomkerne schnell Neutronen, wodurch sie zunehmend schwerere Elemente bilden können. Viele der neutronenreichen Kerne, die an diesem Prozess beteiligt sind, sind jedoch zu instabil, um in terrestrischen Labors untersucht zu werden, was die Wissenschaftler dazu zwingt, sich stark auf theoretische Modelle zu verlassen.

Takayuki Miyagi und Achim Schwenk, die unter der Leitung von Professor Almudena Arcones arbeiteten, berechneten die Eigenschaften von 70 kritischen Kernen in der Nähe der magischen Neutronenzahl N = 82. Diese Region ist von entscheidender Bedeutung für die Erzeugung des zweiten R-Prozess-Höchstwerts, einem bekannten Muster der Verteilung schwerer Elemente im gesamten Universum. Diese neu berechneten Kernmassen wurden in detaillierte Simulationen der Nukleosynthese integriert und Szenarien von Neutronensternfusionen bis zu anderen extremen astrophysikalischen Phänomenen modelliert. Die Ergebnisse zeigten, dass die berechneten Massen den Fortschritt des Materials durch den R-Prozess mehr verlangsamten als frühere Modelle vorhergesagt hatten.

Jan Kuske, der Hauptautor der Studie und Doktorand in der Arcones-Gruppe, betonte, dass geringfügige Schwankungen der Kernmassen erhebliche Auswirkungen auf die vorhergesagte Häufigkeit schwerer Elemente im Universum haben können. Die Studie legt nahe, dass ein stärker ausgeprägter zweiter R-Prozess-Peak und eine spürbare Verschiebung im dritten Peak auftreten, was neue Perspektiven auf die Entstehung von Gold, Platin und ähnlichen Elementen nach Neutronensternkollisionen bietet.

Viele der für den r-Prozess wesentlichen Kerne werden wahrscheinlich auch mit fortschrittlichen Beschleuniger-Einrichtungen, die für die Zukunft geplant sind, unzugänglich bleiben. Daher gewinnen präzise theoretische Methoden an Bedeutung. Die Studie hebt hervor, dass ab initio Kernstrukturberechnungen jetzt reif genug sind, um direkte Beiträge zum Verständnis von astrophysikalischen Prozessen und der kosmischen Ursprünge von Elementen zu leisten. Die Forschung unterstreicht den Wert der Integration von experimentellen Daten mit modernen theoretischen Modellen, insbesondere in Bereichen, in denen experimentelle Studien begrenzt sind.

Auf diese Weise können Wissenschaftler die vielversprechendsten Isotope für zukünftige Untersuchungen identifizieren, die sowohl Laborexperimente als auch Bemühungen der Beobachtungsastronomie leiten.