US-Wissenschaftler lösen kernphysikalische Unsicherheit bei der Entstehung von Strontium in Sternen

Wissenschaftler der US-Einrichtung Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) und des argentinischen Argonne Tandem Linear Accelerator System (ATLAS) haben eine bedeutende Unsicherheit in einer kernphysikalischen Reaktion erfolgreich beseitigt, die zum Verständnis der Entstehung von Strontium in Sternen beiträgt. An dieser Leistung waren 12 beteiligte Institutionen aus Kanada und Europa beteiligt. Dabei kam eine indirekte Methode zum Einsatz, bei der das Verhalten von Isotopen eines anderen Elements, Krypton, gemessen wurde, um Rückschlüsse auf die Bildung von Strontium zu ziehen. Der Großteil der Elemente im Universum wird durch stellare Prozesse erzeugt. Seit den 1950er Jahren stützen sich Wissenschaftler auf drei etablierte Prozesse, um die Entstehung von Elementen oberhalb von Eisen zu erklären: den r-Prozess (schneller Neutroneneinfang), den s-Prozess (langsamer Neutroneneinfang) sowie den p-Prozess, der eine Reihe schwererer, protonenreicher Isotope erzeugt.

Diese Isotope können nicht durch Neutroneneinfang hergestellt werden. Jeder dieser Prozesse beinhaltet das Einfangen oder Entfernen von Neutronen und erklärte diese Elemente bis in die 1990er Jahre überzeugend. Als Wissenschaftler begannen, die Häufigkeit bestimmter Elemente in alten Sternen zu beobachten, traten bei der Erklärung durch diese Prozesse Diskrepanzen auf – eine davon betraf Strontium. Erklärung der Strontium-Häufigkeit: Strontium ist ein Erdalkalimetall, das häufig in Feuerwerkskörpern und Leuchtfarben verwendet wird. Es findet zudem in der archäologischen Analyse Verwendung, da Isotope Wissenschaftlern helfen, das Alter und die Herkunft von Proben zu bestimmen. Für Astrophysiker trägt das Verständnis der Strontium-Entstehung dazu bei, die Nukleosynthese zu erklären – also den Prozess, durch den Sterne Elemente erzeugen.

Entstehung von Strontium und ihre Bedeutung

Ein vorgeschlagener Ansatz zur Erklärung der Strontium-Häufigkeit ist der i-Prozess. Dieser findet unter Bedingungen statt, die zwischen dem s- und dem r-Prozess liegen, mit Neutronendichten und Zeitskalen von etwa wenigen Minuten. Während der r-Prozess Neutronen schnell einfängt und der s-Prozess Neutronen langsam einfängt, absorbiert der i-Prozess Neutronen zügig und erzeugt schwerere Elemente. Obwohl i-Prozess-Modelle die Häufigkeit vieler Elemente erklären können, sind sie für Strontium nicht anwendbar, da dessen Ausbeute zu gering ist. Falk Herwig, Professor für Physik und Astronomie an der University of Victoria, erklärte: „Unsere Modelle haben den Neutroneneinfang von Krypton-88 als entscheidenden unbekannten Faktor für den Strontium-Mangel identifiziert."

Beseitigung der Unsicherheit: Neutroneneinfangreaktionen sind schwierig direkt zu messen, da die stellaren Bedingungen im Labor nur schwer reproduziert werden können; diese Reaktionen treten selten auf, und die beteiligten Atomkerne haben kurze Lebensdauern. Die Forscher umgingen diese Herausforderung mit einer indirekten Methode: Sie erzeugten das höhere Isotop Krypton-89 und ließen es in einen niedrigeren Energiezustand zerfallen. Mithilfe des SuN-Detektors (Sum of NaI) an FRIB wurden am ATLAS Messungen durchgeführt, sodass die Forscher die Gammastrahlenemission von Krypton-89 messen und indirekt auf die Neutroneneinfangrate von Krypton-88 schließen konnten. Die Ergebnisse zeigen, dass die Neutroneneinfangrate von Krypton-88 deutlich unter den theoretischen Vorhersagen liegt.

Wichtiger Fortschritt bei der Beseitigung kernphysikalischer Unsicherheiten

Als sie diese Rate in das i-Prozess-Modell einbauten, zeigte sich, dass die erzeugte Strontiummenge wesentlich näher an den astronomischen Beobachtungsdaten liegt. „Da wir nun diese Reaktionsrate kennen, liegt die nächste Arbeit vollständig bei den Modellierern", ergänzte Herwig in einer Pressemitteilung. „Da die wesentliche kernphysikalische Unsicherheit beseitigt ist, können wir uns der Astrophysik zuwenden, Neutronendichten und Brenndauern untersuchen und bestrebt sein, die Diskrepanz zu dem, was wir in den ältesten Sternen beobachten, zu verringern." Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Communications Physics veröffentlicht.

Element	Spezifikation
Hauptforschungseinrichtungen	Facility for Rare Isotope Beams (FRIB), Argonne Tandem Linear Accelerator System (ATLAS)
Schlüsselement	Strontium
Forschungsmethode	Indirekte Messung der Gammastrahlenemission von Krypton-89

Auswirkungen der Strontium-Forschung auf die Astrophysik

Die Entstehung von Strontium ist eng mit der stellären Nukleosynthese verknüpft, weshalb das Verständnis seines Entstehungsmechanismus für Astrophysiker von zentraler Bedeutung ist. Diese Studie beseitigt nicht nur frühere Erklärungsdiskrepanzen bei der Strontium-Häufigkeit, sondern eröffnet auch neue Richtungen für künftige Forschungen. Durch die Beseitigung entscheidender Unsicherheiten können Wissenschaftler Kernreaktionen im Sterninneren genauer modellieren, die Auswirkungen von Neutronendichte und Brenndauer weiter untersuchen und so das Gesamtverständnis der Elementsynthese im Universum vertiefen.