Kosmische Alchemie der Elemente – die ersten 14 Milliarden Jahre

Referent: Karlheinz Langanke, ehemaliger Forschungsdirektor vom GSI

Es begann in den ersten Minuten des Urknalls, als sich schon die Atomkerne der Elemente Wasserstoff, Helium und Lithium bildeten. Damit Elektronen an diesen Kernen gebunden werden konnten und so die ersten Elemente entstanden, musste sich das Universum ueber weitere 380000 Jahre abkuehlen.

Alle anderen Elemente des Periodensystems haben ihren Ursprung in Sternen, bis auf die Allerschwersten, die kuenstlich in Forschungszentren wie der GSI synthesiert wurden. Sterne nutzen hierbei die Eigenschaft aus, dass durch die Fusion von zwei leichteren Kernen zu einem schwereren Energie freigesetzt werden kann, die der Stern nutzt, um fuer Millionen bis Milliarden Jahre in einem Gleichgewicht zu existieren und dabei auch noch grosse Mengen an Energie abzustrahlen. Irgendwann hat ein Stern sein nukleares Energiereservoir aufgebraucht, dann ereilt ihn, wenn er massiv genug ist, ein dramatisches Schicksal: er explodiert als Supernova und schleudert dabei die Elemente, die er im Inneren erbruetet hat, ins Weltall, wo sie auf einem kleinen Planeten um einen recht unauffaelligen Stern zur Formation von Leben genutzt wurden.

Supernovae erzeugen allerdings nur Elemente bis hin zum Eisen-Nickel-Massebereich. Um die schwereren Elemente zu machen, hat die Natur einen anderen Trick: durch die fortschreitende Anlagerung von Neutronen an Saatkernen kann sukzessive die Massenzahl der Kerne erhoeht werden, wobei diese Sequenz von Zerfaellen unterbrochen wird, bei denen sich ein Neutron in ein Proton umwandelt und man so einen Schritt in der Periodentafel weiterkommt.

Das Problem des Tricks liegt allerdings darin, dass es eigentlich nach dem Urknall keine freien Neutronen mehr gibt und der Stern
diese vor Ort erzeugen muss. Dies kann recht friedlich waehrend spezieller Perioden im Leben von Sternen, die etwas massiver als die Sonne sind, geschehen, oder aber auch in spektakulaeren Ereignissen wie der Verschmelzung von zwei Neutronensternen.

Die Sonne ist ein Allerweltsstern, nur nicht fuer uns, da wir ohne ihn nicht existierten. Wir wissen heute sehr viel von der Sonne und haben es geschafft, mit zwei unterschiedlichen Methoden ins tiefe Innere der Sonne zu schauen und unsere theoretischen Vorstellungen ueber Sterne zu testen, mit spektakulaeren Erfolgen.

Wir werden zunaechst die kosmische Alchemie der ersten fast 14 Milliarden Jahre des Universums diskutieren. Aber zum Schluss wollen wir noch einen Ausblich wagen, auf die naechsten Milliarden Jahre und danach.