Wie kam Gold auf die Erde? Deutsches Forscherteam weist auf Schwarzes Loch hin

Die schweren Elemente, die wir heute auf der Erde finden, sind einst unter extremen Bedingungen im Inneren von Sternen, bei Sternexplosionen und bei der Kollision von Neutronensternen entstanden. Die Elemente wurden über Jahrmillionen von Meteoritenbombardements auf dem Planeten abgelagert, die die Erde geformt haben. Es wird jedoch noch an der Bildung von Elementen wie Gold und Uran geforscht.

Ein deutsches Forscherteam hätte die Quelle dieser Elemente entschlüsseln können: die größte Kraft im Zentrum der Galaxie, ein Schwarzes Loch. Forscher des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung in Darmstadt sowie belgische und japanische Wissenschaftler haben mit Computersimulationen die Synthese schwerer Elemente in Schwarzen Löchern gezeigt.

Forscher interessieren sich seit langem für katastrophale Ereignisse als Quelle für die Produktion dieser chemischen Elemente, und der Nachweis von Gravitationswellen hat eine neue Tür geöffnet. Die Beobachtung von Gravitationswellen und elektromagnetischer Strahlung einer Neutronensternfusion im Jahr 2017 deutete darauf hin, dass bei diesen kosmischen Kollisionen viele schwere Elemente produziert und freigesetzt werden können.

„Allerdings bleibt die Frage offen, wann und warum das Material ausgeworfen wird und ob es möglicherweise andere Szenarien gibt, in denen schwere Elemente produziert werden können“, heißt es in einer Mitteilung der Forscher.

Eine Grafik des Schwarzen Lochs und seiner Akkretionsscheibe. (Foto: Nasa)

Eine hohe Neutronenzahl ist eine Grundvoraussetzung für die Synthese schwerer Elemente wie Gold, da sie den schnellen Neutroneneinfangprozess oder den r-Prozess ermöglicht. Schwarze Löcher mit ihrer heißen Akkretionsscheibe für dichte Materie sind ein vielversprechender Kandidat, da sich das System sowohl nach der Verschmelzung zweier massereicher Neutronensterne als auch während eines sogenannten Kollapsars, Kollaps und anschließender Explosion eines rotierenden Sterns bildet.

„In unserer Studie haben wir erstmals die Umwandlungsraten von Neutronen und Protonen für eine Vielzahl von Scheibenkonfigurationen mit aufwendigen Computersimulationen systematisch untersucht und dabei festgestellt, dass die Scheiben auch sehr reich an Neutronen sind . getroffen“, sagt Dr. Oliver Just von der Gruppe Relativistische Astrophysik in der Abteilung Theorieforschung der GSI.

Entscheidend sei die Gesamtmasse der Scheibe. Je größer die Scheibe, desto mehr Neutronen werden aus Protonen durch Elektroneneinfang unter Neutrino-Emission gebildet und stehen für die Schwere-Elemente-Synthese nach dem r-Prozess zur Verfügung. Ist die Masse der Scheibe jedoch zu hoch, spielt die Rückreaktion eine verstärkte Rolle, so dass mehr Neutrinos von den Neutronen wieder eingefangen werden, bevor sie die Scheibe verlassen. Diese Neutronen werden dann wieder in Protonen umgewandelt.

Das Ergebnis liefert starke Beweise dafür, dass die Verschmelzung von Neutronensternen, die Akkretionsscheiben mit genau diesen Massen erzeugen, der Ausgangspunkt für viele der schweren Elemente sein könnten.

Die vorhergesagte Häufigkeit von gebildeten Elementen gibt Aufschluss über die schweren Elemente, die in zukünftigen Labors – wie der derzeit im Bau befindlichen Antiprotonen- und Ionenforschungsanlage (FAIR) – untersucht werden müssen, um die Herkunft der Elemente aufzudecken.

Die Forschung wurde in der Zeitschrift Monthly Notices of the Royal Astronomical Society veröffentlicht.