Helmholtz Research Academy Hesse for FAIR

Hintergrund - Nukleosynthese

Nukleosynthese

Unser Universum besteht aus Elementen - und die Entstehung selbiger ist eine der wichtigsten Forschungsfragen der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Helmholtz Forschungsakademie Hessen für FAIR. Dies wird auf den verschiedensten Ebenen untersucht: Von der Entstehung und der Dynamik von Protonen und Neutronen, die die Bausteine aller Elemente sind, bis hin zur Untersuchung und gar Produktion von superschweren Elementen. 

Ein wichtiger Prozess in dieser Forschungsfrage ist die Nukleosynthese. Nukleosynthese bezeichnet den Prozess, durch den Elemente kreiert werden und man unterscheidet grundsätzlich zwischen zwei verschiedenen Varianten. Die primordiale Nukleosynthese, welche in den ersten wenigen Minuten nach dem Urknall geschah und der sogenannten stellaren Nukleosynthese, welche in Sternen geschieht. 

Beide Prozesse sind von entscheidender Bedeutung für unser Verständnis der Entstehung und Entwicklung des Universums.

Die Nukleosynthese findet auf verschiedenen Ebenen statt. In Sternen wie unserer Sonne fusionieren Wasserstoffatome zu Helium und geben dabei Energie ab. Diese Prozesse setzen sich fort, wobei immer schwerere Elemente entstehen, bis schließlich Eisen erreicht wird. Dies ist der Endpunkt der Fusion in Sternen wie unserer Sonne. Der Grund warum Eisen der Endpunkt dieses Prozesses liegt an der sogenannten Bindungsenergie. Diese gibt an, wieviel Energie freigesetzt wird, wenn man das Gesamtsystem aus den Einzelteilen zusammensetzt oder umgekehrt, welche Energie bei der Trennung freigesetzt wird. Wenn man sich diese Energie als Funktion der Größe der Atomkerne misst dann ergibt sich (mit einigen wenigen Sonderfällen) die Systematik, daß es bis Eisen energetisch günstiger ist Kerne zusammenzubringen und ab Eisen es energetisch günstiger ist die Kerne zu trennen. Das Diagramm ist hier zu sehen. Salopp gesagt, kann man mit kleinen Atomkernen Energie durch Kernfusion gewinnen und mit großen Kernen durch Kernspaltung.

Schwere Elemente, die über Eisen hinausgehen, entstehen bei extremen Bedingungen wie zum Beispiel bei Supernova-Explosionen. Hier werden durch eine starke Explosion von Sternen riesige Mengen an Energie freigesetzt, die zur Bildung von noch schwereren Elementen führen können.

Ein weiterer Mechanismus, durch den schwere Elemente erzeugt werden können, ist die sogenannte Neutroneneinfangreaktion. Hierbei fangen Atomkerne freie Neutronen ein und bilden dadurch schwerere Kerne. Diese Reaktionen finden in Sternen, aber auch in der Umgebung von Neutronensternen statt.

Die Nukleosynthese ist von grundlegender Bedeutung für unser Verständnis des Universums und der chemischen Elemente. Sie erklärt, wie schwere Elemente erzeugt werden und wie sie in das Universum verteilt werden. Das Studium der Nukleosynthese hat auch Auswirkungen auf andere Bereiche wie die Astrophysik und die Kosmologie.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Nukleosynthese ein faszinierendes Thema ist, das die Vorstellungskraft der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Helmholtz Forschungsakademie Hessen für FAIR auch über die nächsten Jahrzehnte herausfordern wird. Die Entstehung und die Entwicklung des Universums ist ein solch komplexer Prozess, der noch viele Rätsel birgt. Wir sind dankbar, daß wir hier entscheidende Beiträge leisten können und dürfen. 

Hintergrund - Nukleosynthese