Die chemischen Elemente sind die Bausteine unserer Welt und die Grundlage
für die Entstehung des Lebens. Wie ist es zur Vielfalt der Elemente gekommen?
Welche Prozesse spielten hierbei eine Rolle?
Die Beantwortung dieser Fragen ist eines der zentralen Anliegen der modernen
Kern- und Astrophysik und bildet auch bei FAIR
einen der Forschungsschwerpunkte.
Wir wissen, dass die chemischen Elemente über Kernreaktionen im Inneren
von Sternen und in Sternexplosionen gebildet werden. Im Verlauf dieses als
Elementsynthese bezeichneten Prozesses entsteht eine Vielzahl von Kernsorten
- so genannte Isotope. Die meisten sind instabil und wandeln sich über Zwischenschritte
in stabile Kerne um.
Mit Fusion bis zum Eisen
Die Elemente bis zum Eisen entstehen im Inneren von Sternen durch Fusionsreaktionen.
Dabei werden, angefangen mit der Verschmelzung von Wasserstoff zu Helium,
immer größere Kerne und damit schwerere Elemente gebildet. Dieser Prozess
setzt Energie frei. Deshalb leuchten die Sterne und spenden uns Wärme.
Beim Element Eisen kommt die Fusion zum Stillstand, weil bei der Verschmelzung
zu noch schwereren Kernen Energie benötigt würde.
Über Umwege zum Uran
Die Kerne, die schwerer als Eisen sind, entstehen am Ende der Ära großer
Sterne in so genannten Roten Riesen und in gewaltigen Supernova-Explosionen.
Allen dabei auftretenden Produktionspfaden ist gemeinsam, dass sie über
den Umweg radioaktiver Kerne zu den stabilen schweren Kernen führen. Wir
verdanken die Vielfalt der Stoffe auf der Erde - und damit auch unsere Existenz
- also einer Vielzahl von radioaktiven Kernen und Kernreaktionen, die als
Zwischenschritte in der Nukleosynthese durchlaufen wurden.
Bisher haben wir nur ein qualitatives Verständnis der Nukleosynthese, die
detaillierten Abläufe sind noch weitgehend ungeklärt. An der neuen Anlage
können die Wissenschaftler die Kerne, die als radioaktive Zwischenglieder
auf dem Weg zu den stabilen Isotopen auftreten, künstlich herstellen und
untersuchen. Auf diese Weise lassen sich im Laborexperiment die verschlungenen
Pfade der Nukleosynthese nachzeichnen. Dies eröffnet uns faszinierende
neue Erkenntnisse über den Ursprung der Elemente - und damit unserer eigenen
Existenz.
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In der Nuklidkarte sind alle Atomkerne,
die im Universum existieren können - vermutlich über 6000 - sortiert
nach der Anzahl der Protonen und Neutronen aufgetragen. Die schwarzen
Kästchen markieren die stabilen Isotope (annähernd 300), die gelben Kästchen
die bekannten instabilen Kerne (etwa 2500) und die grünen die noch unbekannten
instabilen Kerne (über 3500). Die Pfeile geben verschiedene Produktionspfade
der Nukleosynthese an. Die Fusion bringt die Kerne bis zum Eisen hervor.
Die wichtigsten Produktionspfade zur Bildung schwerer Kerne sind der langsame
(slow) Neutroneneinfang (s-Prozess) und der schnelle (rapid) Neutroneneinfang
(r-Prozess). Außerdem gibt es noch andere Prozesse, die zu den protonenreichen
schweren Kernen führen. Einer davon ist der schnelle Protoneneinfang (rp-Prozess).
Der rp-Prozess und der r-Prozess laufen durch Gebiete weitab der stabilen
Isotope und sollen an der geplanten Anlage systematisch erforscht werden.
In Stern-Explosionen, wie z.B. der 1987 beobachteten Supernova SN1987A,
werden die schweren Elemente jenseits des Eisens gebildet.
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