Wie kam Gold auf den Boden? Deutsches Forschungsteam weist auf Existenz eines Schwarzen Lochs hin

Die schweren Elemente, die wir heute auf der Erde finden, sind einst unter extremen Bedingungen im Inneren von Sternen, bei Sternexplosionen und bei Kollisionen von Neutronensternen entstanden. Durch den Meteoritenbeschuss, der die Erde formte, wurden über Millionen von Jahren Elemente auf dem Planeten abgelagert. Es wird jedoch noch an der Bildung von Elementen wie Gold und Uran geforscht.

Ein Forscherteam aus Deutschland hat möglicherweise die Quelle dieser Elemente entdeckt: die stärkste Kraft im Zentrum der Galaxie, das Schwarze Loch. Forscher des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung in Darmstadt haben zusammen mit Wissenschaftlern aus Belgien und Japan mit Computersimulationen die Zusammensetzung schwerer Elemente in Schwarzen Löchern nachgewiesen.

Forscher haben seit langem katastrophale Ereignisse als Quelle für die Produktion dieser chemischen Elemente betrachtet, und der Nachweis von Gravitationswellen hat ihnen eine neue Tür geöffnet. Beobachtungen von Gravitationswellen und elektromagnetischer Strahlung von verschmelzenden Neutronensternen im Jahr 2017 legten nahe, dass bei diesen kosmischen Kollisionen viele schwere Elemente produziert und freigesetzt werden könnten.

„Allerdings bleibt die Frage offen, wann und warum das Material ausgeworfen wird und ob es andere Szenarien gibt, in denen schwere Elemente produziert werden könnten“, heißt es in einer Mitteilung der Forscher.

Diagramm eines Schwarzen Lochs und seiner Akkretionsscheibe. (Bild: NASA)

Die große Neutronenzahl ist eine Voraussetzung für die Synthese schwerer Elemente wie Gold, da sie den schnellen Neutroneneinfang oder r-Prozess ermöglicht. Schwarze Löcher mit ihrer Akkretionsscheibe aus dichter, heißer Materie sind ein vielversprechender Kandidat, denn das System entsteht nach der Verschmelzung zweier massereicher Neutronensterne und während der sogenannten Implosion, Kollaps und anschließenden Explosion eines rotierenden Sterns.

„Wir haben in unserer Studie erstmals systematisch die Neutronen- und Protonen-Umwandlungsraten einer Vielzahl von Scheibenkonfigurationen durch aufwendige Computersimulationen untersucht und festgestellt, dass die Scheiben sehr neutronenreich sind, solange bestimmte Bedingungen erfüllt sind.“ “, erklärt Dr. Theoretische Forschung am Institute of Global Studies.

Entscheidend sei die Gesamtmasse der Scheibe. Je größer die Scheibe, desto mehr Neutronen werden aus den Protonen durch Einfangen von Elektronen unter Neutronenemission gebildet und stehen für die Synthese schwerer Elemente nach dem r-Prozess zur Verfügung. Ist die Masse der Scheibe jedoch zu hoch, spielt die Rückreaktion eine verstärkte Rolle, so dass mehr Neutrinos von Neutronen zurückgewonnen werden, bevor sie die Scheibe verlassen. Diese Neutronen werden dann wieder in Protonen umgewandelt.

Das Ergebnis liefert starke Beweise dafür, dass verschmelzende Neutronensterne, die Akkretionsscheiben mit solch feinen Massen erzeugen, der Ausgangspunkt für einen Großteil der schweren Elemente sein könnten.

Die prognostizierte Fülle an konstituierenden Elementen gibt Aufschluss über die schweren Elemente, die in zukünftigen Labors – wie der derzeit im Bau befindlichen Proton and Ion Research Facility (FAIR) – untersucht werden müssen, um die Herkunft der schweren Elemente zu entschlüsseln.

Die Forschung wurde im Journal of the Monthly Notices of the Royal Astronomical Society veröffentlicht.