NUSTAR - Sterne und Kerne
Experimente mit Atomkernen sind der Schlüssel zum Verständnis der Sterne
Wir sind alle Sternenstaub. Denn in Sternen und Sternexplosionen werden die chemischen Elemente gebildet, aus denen wir bestehen und die unser Leben erst möglich machen. Nur der Wasserstoff wurde ausschließlich im Urknall gebildet, dazu ein Großteil des gesamten Heliums sowie nennenswerte Spuren von Lithium. Um die Sterne zu verstehen, müssen wir die Kerne der Atome verstehen. Das ist das Ziel von Experimenten der NUSTAR-Kollaboration. Hier werden die Kernreaktionen erforscht, die im Inneren von Sternen ablaufen. Dies führt uns in die Welt der exotischen Atomkerne.
Exotische Kerne und die schweren Elemente
Die Sonne scheint, die Sterne leuchten, weil in ihnen ständig Atomkerne leichter Elemente zu Atomkernen eines schwereren Elements verschmelzen. Aus dem Wasserstoff, dem leichtesten aller Elemente, entstehen auf diese Weise alle Elemente bis zum Eisen, dem 26. Element im Periodensystem. Dabei wird Energie in Form von Hitze und Licht frei – die Sonnenstrahlen beziehungsweise das Sternenlicht.
Noch schwerere Elemente wie Gold oder Blei gehören zu den knapp 70 Elementen, die in Sternen und Sternexplosionen über andere Prozesse gebildet werden. Sie entstehen durch komplexe Reaktionsketten, bei denen zum Teil hunderte Zwischenschritte durchlaufen werden. Eine wichtige Produktionsstätte sind Sternexplosionen. Dort entsteht eine Vielzahl von Neutronen, die sich an leichtere Atomkerne anlagern. Ein solcher neutronenreicher Kern ist instabil und zerfällt. Dabei wandelt sich eines seiner Neutronen in ein Proton um (Beta-Minus-Zerfall). Der Kern enthält nun ein Proton mehr und gehört deshalb zum nächstschwereren Element im Periodensystem. Neutronenanlagerung und Zerfall finden im mehrfachen, unterschiedlichen Wechselspiel statt – so lange, bis ein stabiles schweres Element entstanden ist. Alles geht rasend schnell. Nur wenige Sekunden nach der Sternexplosion sind Atome aller schweren Elemente entstanden.
Die neutronenreichen Atomkerne, die für die Produktion der schweren Elemente unerlässlich sind, unterscheiden sich stark von den auf der Erde vorkommenden Atomkernen und haben möglicherweise ganz andere Eigenschaften. Deshalb heißen sie auch exotische Atomkerne. Ohne sie gäbe es uns nicht.
Die Eigenschaften exotischer Kerne zu erforschen, ist das Ziel der Forschenden bei NUSTAR (Nuclear Structure, Astrophysics and Reactions). Mehrere Experimentierplätze mit unterschiedlichen Messapparaturen bauen sie dafür auf. Ihr gemeinsames zentrales Instrument ist der sogenannte Super-Fragmentseparator (Super-FRS).
Atomkerne sortieren im Super-FRS
Ionen der schwersten Elemente werden auf ein Hindernis geschossen. Die Wucht des Aufpralls zertrümmert sie. Unter den Fragmenten sind auch die gesuchten exotischen Kerne, für die sich die Forschenden besonders interessieren. Diese sind allerdings extrem selten. Beim Finden hilft ihnen der Super-FRS – eine Sortiermaschine für Atomkerne. Er ist über hundert Meter lang. Mithilfe von tonnenschweren Magneten sortiert er die exotischen Kerne nach Ladung und Masse. Die Wissenschaftsteams können für ihr Experiment genau den exotischen Kern herausfiltern, den sie untersuchen möchten. Nirgendwo sonst auf der Welt können so viele exotische Kerne produziert und so effizient sortiert werden wie mit dem Super-FRS an FAIR.
Seltene Atomkerne mehrfach benutzen
An ihn schließen sich verschiedene Messplätze und Speicherringe an. In den Speicherringen können die seltenen exotischen Atomkerne eingefangen und für viele hundert Millionen Umläufe gespeichert werden. Bei jedem Umlauf können sie in sogenannten In-Ring-Experimenten erneut genutzt werden und müssen nicht jedes Mal wieder aufwändig mit der Beschleunigeranlage und dem Super-FRS neu erzeugt werden. Entscheidend dabei ist eine besondere Strahlkühlung, die die Umlaufgeschwindigkeit mit höchster Genauigkeit konstant hält. Nur so können die Atomkerne auch hochpräzise vermessen werden.
Die Forschungsteams interessieren sich bei ihren Messungen für Eigenschaften wie Lebensdauer, Form und innere Struktur der exotischen Kerne. Diese Eigenschaften sind nicht nur der Schlüssel, um die Elemententstehung in Sternen zu verstehen, sondern geben uns auch grundlegend neue Einblicke in den Aufbau und das Verhalten von Materie.
