NUSTAR – Sterne und Kerne

Experimente mit Atomkernen sind der Schlüssel zum Verständnis der Sterne

Wir sind alle Sternenstaub. Denn in Sternen und Stern­explosionen werden die chemischen Elemente gebildet, aus denen wir bestehen und die unser Leben erst möglich machen. Nur der Wasserstoff wurde ausschließlich im Urknall gebildet, dazu ein Großteil des gesamten Heliums sowie nennenswerte Spuren von Lithium. Um die Sterne zu verstehen, müssen wir die Kerne der Atome verstehen. Dies machen Wissenschaftler mit ihren Experimenten in der NUSTAR-Kollaboration. Sie wollen die Kernreaktionen erforschen, die im Inneren von Sternen ablaufen. Dies führt uns in die Welt der exotischen Atomkerne.

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Um die Sterne zu verstehen, müssen wir die Kerne der Atome verstehen. Darum geht es bei NUSTAR.
Bild: wallpapercave

Exotische Kerne und die schweren Elemente

Die Sonne scheint, die Sterne leuchten, weil in ihnen ständig Atomkerne leichter Elemente zu Atomkernen eines schwereren Elements verschmelzen. Aus dem Wasserstoff, dem leichtesten aller Elemente, entstehen auf diese Weise alle Elemente bis zum Eisen, dem 26. Element im Periodensystem. Dabei wird Energie in Form von Hitze und Licht frei – die Sonnenstrahlen beziehungsweise das Sternenlicht.

Noch schwerere Elemente wie Gold oder Blei gehören zu den knapp 70 Ele­menten, die in Sternen und Sternexplosionen über andere Prozesse gebildet werden. Sie entstehen durch komplexe Reaktionsketten, bei denen zum Teil hunderte Zwischenschritte durchlaufen werden. Eine wichtige Produktionsstätte sind Sternexplosionen. Dort entsteht eine Vielzahl von Neutronen, die sich an leichtere Atomkerne anlagern. Ein solcher neutronenreicher Kern ist instabil und zerfällt. Dabei wandelt sich eines seiner Neutronen in ein Proton um (Beta-Minus-Zerfall). Der Kern enthält nun ein Proton mehr und gehört deshalb zum nächstschwereren Element im Periodensystem. Neutronenanlagerung und Zerfall finden im mehrfachen, unterschiedlichen Wechselspiel statt – so lange, bis ein stabiles schweres Element entstanden ist. Alles geht rasend schnell. Nur wenige Sekunden nach der Stern­explosion sind Atome aller schweren Elemente entstanden.

Die neutronenreichen Atomkerne, die für die Produktion der schweren Elemente unerlässlich sind, unterscheiden sich stark von den auf der Erde vorkommenden Atomkernen und haben möglicherweise ganz andere Eigenschaften. Deshalb nennen Wissenschaftler sie auch exotische Atomkerne. Ohne sie gäbe es uns nicht.

Die Eigenschaften exotischer Kerne zu erforschen, ist das Ziel der Wissenschaftler bei NUSTAR (Nuclear Structure, Astrophysics and Reactions). Mehrere Experimentierplätze mit unterschiedlichen Messapparaturen bauen sie dafür auf. Ihr gemeinsames zentrales Instrument ist der sogenannte Super-Fragmentseparator (Super-FRS).

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Gold oder Blei gehören zu den knapp 70 Ele­menten, die in Sternexplosionen gebildet werden.
Foto: NASA/CXC/SAO; Optical: NASA/STScI; Infrared: NASA/JPL-Cal- tech/Steward/O.Krause et al.

Atomkerne sortieren im Super-FRS

Ionen der schwersten Elemente werden auf ein Hindernis geschossen. Die Wucht des Aufpralls zertrümmert sie. Unter den Fragmenten sind auch die gesuchten exotischen Kerne, für die sich die Wissenschaftler besonders interessieren. Diese sind allerdings extrem selten. Beim Finden hilft ihnen der Super-FRS – eine Sortiermaschine für Atomkerne. Er ist über hundert Meter lang. Mithilfe von tonnenschweren Magneten sortiert er die exotischen Kerne nach Ladung und Masse. Die Wissenschaftler können für ihr Experiment genau den exotischen Kern herausfiltern, den sie untersuchen möchten. Nirgendwo sonst auf der Welt können Wissenschaftler so viele exotische Kerne produzieren und so effizient sortieren wie mit dem Super-FRS an FAIR.

Seltene Atomkerne mehrfach benutzen

An ihn schließen sich verschiedene Messplätze und Speicherringe an. In den Speicherringen können die seltenen exotischen Atomkerne eingefangen und für viele hundert Millionen Umläufe gespeichert werden. Bei jedem Umlauf können sie in sogenannten In-Ring-Experimenten erneut genutzt werden und müssen nicht jedes Mal wieder aufwändig mit der Beschleunigeranlage und dem Super-FRS neu erzeugt werden. Entscheidend dabei ist eine besondere Strahlkühlung, die die Umlaufgeschwindigkeit mit höchster Genauigkeit konstant hält. Nur so können die Atomkerne auch hochpräzise vermessen werden.

Die Wissenschaftler interessieren sich bei ihren Messungen für Eigenschaften wie Lebensdauer, Form und innere Struktur der exotischen Kerne. Diese Eigenschaften sind nicht nur der Schlüssel, um die Elemententstehung in Sternen zu verstehen, sondern geben den Wissenschaftlern grundlegend neue Einblicke in den Aufbau und das Verhalten von Materie.

Informationen für Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler

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Ein Magnet des zukünftigen Super-FRS.
Ein Magnet des zukünftigen Super-FRS.
Foto: J. Hosan/GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH