Was sind schwere Elemente?

Jenseits von Eisen: Die Entstehung der schweren Elemente

Wir sind Sternenstaub, heißt es. Und tatsächlich: Die Elemente, aus denen unser Körper und die Welt um uns herum bestehen, wurden in den Herzen von Sternen geschmiedet. Während leichte Elemente wie Wasserstoff und Helium bereits kurz nach dem Urknall entstanden, erfordert die Bildung schwerer Elemente, also jener jenseits von Eisen im Periodensystem, dramatischere kosmische Ereignisse.

Im Inneren von Sternen herrschen extreme Bedingungen. Unter dem immensen Druck und Temperaturen von über zehn Millionen Grad Celsius verschmelzen Atomkerne in einem Prozess namens Kernfusion. So entsteht aus Wasserstoff Helium, aus Helium Kohlenstoff und Sauerstoff, und schließlich, in massereichen Sternen, Elemente bis hin zu Eisen. Eisen stellt jedoch eine energetische Grenze dar. Die Fusion von Eisenkernen benötigt Energie, anstatt sie freizusetzen. Somit kommt die stellare Nukleosynthese hier zum Erliegen.

Woher stammen dann die Elemente schwerer als Eisen, wie Gold, Platin oder Uran? Ihre Entstehung verdanken wir Prozessen, die noch energiereicher sind als die stellare Fusion: dem Neutroneneinfang.

Es gibt zwei Hauptarten des Neutroneneinfangs: den langsamen (s-Prozess) und den schnellen (r-Prozess). Der s-Prozess findet in AGB-Sternen (Asymptotic Giant Branch) statt, älteren, massearmen Sternen in einer späten Entwicklungsphase. Hier werden Neutronen langsam, über lange Zeiträume, von Atomkernen eingefangen. Der Kern kann nach jedem Einfang radioaktiv zerfallen und sich so in ein stabileres Isotop umwandeln. Der s-Prozess erzeugt etwa die Hälfte der Elemente schwerer als Eisen.

Für die Bildung der anderen Hälfte, insbesondere der sehr schweren Elemente, ist der r-Prozess verantwortlich. Dieser erfordert einen extrem hohen Neutronenfluss innerhalb kürzester Zeit. Solche Bedingungen herrschen bei Supernova-Explosionen und der Verschmelzung von Neutronensternen. Hier werden Atomkerne mit einer enormen Menge an Neutronen bombardiert, bevor sie überhaupt zerfallen können. So entstehen extrem neutronenreiche, instabile Kerne, die anschließend durch eine Kette von Beta-Zerfällen in stabile, schwere Elemente zerfallen.

Die Erforschung der schweren Elemente ist essenziell für unser Verständnis der kosmischen Geschichte. Die relative Häufigkeit verschiedener Elemente in Sternen und Galaxien gibt Aufschluss über die Art und Anzahl der abgelaufenen Supernovae und Neutronensternverschmelzungen. So können wir durch die Analyse des Sternenlichts die Geschichte des Universums und die Entstehung der Materie, aus der wir selbst bestehen, entschlüsseln.