Helmholtz Forschungsakademie - Hessen für FAIR

Kernstruktur- und nukleare Astrophysik
Bild einer Galaxie

Kernstruktur- und nukleare Astrophysik

Das Ziel der nuklearen Astrophysik ist es, den Ursprung der Elemente im Universum zu verstehen und nachzuvollziehen. Dieses Ziel ist aufs Engste mit dem Bestreben, die Struktur und die Dynamik der verschiedenen astrophysikalischen Objekte und Prozesse, zu erfassen, verknüpft. 

Demnach ist es wenig überraschend, dass die nukleare Astrophysik sehr interdisziplinär aufgestellt ist. So kommen Fortschritte hinsichtlich eines tieferen Verständnisses der Geheimnisse des Universums, astronomische Beobachtungen und astrophysikalische Modellierung auch der Kernphysik zu Gute und anders herum. 

FAIR wird es ermöglichen, die relevante Kernphysik, die für ein tieferes Verständnis der Struktur und Dynamik exotischer astrophysikalischer Objekte wie Supernovae, einzelner und verschmelzender Neutronensterne oder auch bei der Sternentstehung erforderlich ist, experimentell zu untersuchen oder einzuschränken. FAIR bringt dabei das Universum ins Labor. So können zahlreiche kurzlebige exotische Kerne, die in Supernovae oder Neutronensternverschmelzungen vorkommen und deren Beschaffenheit und Dynamik ausmachen, bei FAIR hergestellt und ihre Eigenschaften vermessen werden. 

Die FAIR-Anlage ist in der Lage, am supraleitenden Fragmentseparator des NUSTAR-Experimentkomplexes höchstintensive, hochenergetische Strahlen von ausgewählten Nukliden bereitzustellen. Hier sind vor allem solche mit sehr großem Neutronenüberschuss interessant. Derartige Untersuchungen an exotischen Kernen weitab der Stabilität sind für ein besseres Verständnis des nuklearen Vielteilchensystems unerlässlich und darüber hinaus für die nukleare Astrophysik von größter Bedeutung. 

Die einzigartige Kombination bei FAIR - hochenergetische Primärstrahlen vom SIS100, Identifizierung reiner Sekundärstrahlen durch den Superfragmentseparator und die Kombination von Speicherringen und Instrumenten - ermöglicht zudem oftmals zum ersten Mal den Zugang zu vielen kurzlebigen Kernen. Hier können die  Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Helmholtz Forschungsakademie Hessen für FAIR in noch unerforschte Regionen der Atomkarte eintauchen. 

Da man weiß, dass die Oberfläche von Neutronensternen die Quelle enormer elektromagnetischer Felder sein kann, die ihrerseits eine anregende Wirkung auf die Strukturformen der Materie ausüben, gilt es, entsprechende Felder künstlich zu generieren. In den FAIR-Speicherringen ist es möglich, solche extremen elektrischen Feldstärken zwischen Ionen zu erzeugen, die einander mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit passieren, und die damit einhergehende Elektronendynamik und Korrelationen zu untersuchen. 

Die Erkenntnisse über Kerneigenschaften aus experimentellen Untersuchungen an FAIR oder aus der Berechnung aus an Daten der FAIR-Anlage getesteten Kernmodellen erlauben so z.B. die Vorhersage der Lichtkurve von Neutronensternverschmelzungen, deren Gravitationswellen und elektromagnetische Signale beobachtet werden können. Weiterhin machen die Einsichten in die Besonderheiten exotischer Atomkerne und die Fortschritte im Verständnis der nuklearen Vielteilchensysteme bis hin zu der in Neutronensternen vorkommenden Kernmaterie die Simulation von nuklearen Prozessen in astrophysikalischen Objekten realisierbar. 

In optimaler Ergänzung und unter Nutzung der experimentellen Möglichkeiten an FAIR kann der Einfluss der gemessenen Daten auf die Dynamik astrophysikalischer Objekte und auf die Entstehung der Elemente im Universum in den in diesen Objekten stattfindenden Nukleosynthese-Prozessen untersucht werden.

Auch in diesem Bereich werden die Forscherinnen und Forscher der Helmholtz Forschungsakademie Hessen für FAIR einen entscheidenden Beitrag leisten.

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