Kosmische Goldgrube

Der Sternenhimmel im Januar 2018

Einst hofften Alchimisten, die Elemente ineinander umwandeln zu können. Einige von ihnen strebten gar danach, Gold selbst herzustellen. Längst wissen wir, dass dies mit den Mitteln der Chemie unmöglich ist. Elemente können nur durch Kernfusion entstehen und sich durch Kernprozesse ineinander umwandeln. In kosmischem Maßstab laufen diese Prozesse permanent im Inneren von Sternen und an deren turbulentem Lebensende während Supernovaexplosionen ab.

Doch auch kurz nach dem Urknall herrschten im gesamten Universum kurzzeitig Bedingungen wie in einem gigantischen Fusionsreaktor. Bei Temperaturen um 109 Kelvin und entsprechenden Dichten konnten sich in den ersten Minuten die ersten Elemente bilden. Als sich die Elementarteilchen bereits zu Protonen, also Kernen von Wasserstoff, zusammengefunden hatten, konnten diese kurzzeitig fusionieren. So entstanden Deuterium (schwerer Wasserstoff), das erste Helium (etwa zu 20 Prozent) und geringe Spuren von Lithium. Nach drei bis fünf Minuten fielen Temperatur und Dichte im rasch expandierenden Universum allerdings soweit ab, dass die Fusion zum Erliegen kam.

Woher aber stammen also all die chemischen Elemente, die wir auf der Erde kennen und die unseren festen Planeten überhaupt erst ausmachen? Sauerstoff, Kohlenstoff und Stickstoff, auf denen Leben basiert? Das Eisen in unserem Blut, das Gold einer Olympiamedaille oder einer Zahnfüllung?

Ein Teil davon wurde und wird auch heute noch im Inneren von Sternen produziert, wo Temperaturen von 15 Millionen Kelvin und mehr herrschen. Als Faustregel gilt: Je größer die Masse des Sterns, umso schwerer die Elemente, die sich bilden, aber auch umso kürzer seine Lebensdauer. Doch egal wie massereich ein Stern ist: Bei Eisen beziehungsweise Nickel ist Schluss. Denn zur Fusion zu noch schwereren Atomkernen wird mehr Energie benötigt, um sie herzustellen, als dabei frei wird.

Größere Mengen an Eisen sowie andere schwere Elemente können sich erst bilden, wenn ein Stern am Ende seines Lebens explodiert und sein Überrest als kompakter Neutronenstern oder Schwarzes Loch endet. Für die Produktion von besonders schweren Elemente wie Edelmetallen oder anderen bis zu Uran müssen Sterne vermutlich sogar noch einen zweiten Tod sterben. In welchen Mengen und bei welcher Art von Supernova vor allem diese schwersten Atomkerne entstehen, konnten Astronomen lange Zeit nur anhand von Modellrechnungen vermuten. Seit kurzem haben sie darüber jedoch mehr Gewissheit.


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