Sie galten als Goldschmieden des Universums, jetzt wankt die Theorie
Woher stammt das Gold im Universum? Eine neue Studie zu Gammastrahlenausbrüchen liefert überraschende Hinweise.
Wo entsteht das Gold im Universum? Neue Analysen von Gammastrahlenausbrüchen zeigen, dass die Antwort komplizierter sein könnte als bisher angenommen.
Foto: Smarterpix / sakkmesterke
Das Wichtigste in Kürze
- Zwei ungewöhnliche Gammastrahlenausbrüche wurden neu analysiert.
- Die Beobachtungen galten bisher als Hinweis auf Neutronenstern-Kollisionen.
- Neue Simulationen zeigen, dass auch Kollapsare als Ursache infrage kommen.
- Ein rotes Kilonova-Signal bedeutet möglicherweise nicht automatisch, dass Gold entstanden ist.
- Die Rolle von Neutronenstern-Kollisionen wird nicht widerlegt, aber neu bewertet.
- Die Herkunft schwerer Elemente wie Gold bleibt eine der offenen Fragen der modernen Astrophysik.
Gold, Platin oder Uran gehören zu den schwersten natürlichen Elementen im Universum. Doch wo entstehen diese Stoffe eigentlich? Seit einigen Jahren galt eine Antwort als besonders wahrscheinlich: bei der Kollision zweier Neutronensterne. Solche Zusammenstöße zählen zu den extremsten Ereignissen im Kosmos. Sie erzeugen Bedingungen, unter denen neue, sehr schwere Elemente entstehen können.
Nun sorgt eine neue Studie aus den USA für Diskussionen. Forschende des Los Alamos National Laboratory haben zwei ungewöhnliche Gammastrahlenausbrüche erneut untersucht. Ihre Ergebnisse legen nahe, dass die bisherige Interpretation möglicherweise zu kurz greift. Die Beobachtungen könnten auch zu einem ganz anderen Entstehungsmodell passen.
Inhaltsverzeichnis
Die stärksten Explosionen des Universums
Gammastrahlenausbrüche zählen zu den energiereichsten Ereignissen überhaupt. Innerhalb weniger Sekunden setzen sie mehr Energie frei, als die Sonne während ihrer gesamten Lebensdauer von rund zehn Milliarden Jahren abstrahlt.
Astronominnen und Astronomen unterscheiden dabei grundsätzlich zwei Gruppen:
- Kurze Gammastrahlenausbrüche mit einer Dauer von weniger als zwei Sekunden
- Lange Gammastrahlenausbrüche mit einer Dauer von mehr als zwei Sekunden
Kurze Ausbrüche werden meist mit der Verschmelzung von Neutronensternen in Verbindung gebracht. Lange Ausbrüche entstehen dagegen häufig, wenn ein massereicher Stern kollabiert und ein Schwarzes Loch bildet. Fachleute sprechen in diesem Fall von einem Kollapsar.
Diese Einteilung galt lange als vergleichsweise zuverlässig. Doch einige Beobachtungen der vergangenen Jahre passten nicht recht in dieses Schema.
Zwei rätselhafte Signale
Im Mittelpunkt der aktuellen Studie stehen die Gammastrahlenausbrüche GRB 211211A und GRB 230307A. Beide wurden vom Fermi Gamma-ray Burst Monitor der NASA registriert.
Die Besonderheit: Obwohl beide Ereignisse lange Gammastrahlenausbrüche waren, zeigten sie Eigenschaften, die eher auf eine Neutronenstern-Verschmelzung hindeuteten.
Vor allem GRB 230307A sorgte für Aufmerksamkeit. Beobachtungen mit dem James-Webb-Weltraumteleskop lieferten Hinweise auf schwere Elemente in den Trümmern der Explosion. Zudem zeigte das Ereignis eine ausgeprägte rote Komponente im Infrarotbereich. Solche Signale gelten oft als Kennzeichen einer Kilonova.
Kilonovae entstehen, wenn bei einer Verschmelzung von Neutronensternen große Mengen Materie ins All geschleudert werden. Dabei können schwere Elemente gebildet werden. Der zugrunde liegende Prozess wird als r-Prozess bezeichnet. Vereinfacht gesagt fangen Atomkerne dabei innerhalb kürzester Zeit große Mengen freier Neutronen ein und wachsen so zu immer schwereren Elementen heran.
Bedeutet rotes Licht automatisch Gold?
Genau an diesem Punkt setzt die neue Untersuchung an. Die Forschenden analysierten die Beobachtungsdaten beider Ereignisse mithilfe umfangreicher Computersimulationen. Dabei interessierte sie vor allem, welche chemischen Elemente bei den Explosionen entstanden sein könnten.
Das Ergebnis fiel überraschend aus: Die Messdaten lassen sich offenbar auch dann erklären, wenn gar keine größeren Mengen extrem schwerer Elemente wie Gold, Blei oder Uran produziert wurden.
Stattdessen passen die Beobachtungen nach Ansicht des Teams gut zu einem Kollapsar-Szenario. Demnach könnten die Ausbrüche von kollabierenden massereichen Sternen stammen und nicht von der Kollision zweier Neutronensterne.
Marko Ristić vom Los Alamos National Laboratory sagt: „Gammastrahlenausbrüche sind das Ergebnis einiger der intensivsten und exotischsten Situationen im Universum.“ Die Simulationen zeigen, dass ein einfacheres Modell die Beobachtungen bereits ausreichend erklären könnte.
Nicht jede Kilonova ist eine Goldfabrik
Besonders interessant ist eine Schlussfolgerung der Arbeit: Ein rotes Infrarotsignal bedeutet offenbar nicht zwangsläufig, dass große Mengen Gold entstanden sind.
Bislang galt die rote Färbung vieler Kilonovae als Hinweis auf sogenannte Lanthanide. Diese seltenen Elemente erhöhen die Lichtundurchlässigkeit der ausgestoßenen Materie und verschieben die Strahlung stärker in den Infrarotbereich. Daraus wurde häufig auf die Entstehung weiterer schwerer Elemente geschlossen.
Doch genau diese Annahme könnte zu einfach sein. Der theoretische Physiker Matthew Mumpower erklärt: „Wir haben gelernt, dass – entgegen aktuellen Interpretationen – die Art von Kilonova, die durch diese lang anhaltenden Gammastrahlenausbrüche repräsentiert wird, nicht zwangsläufig die Synthese von Gold impliziert.“
Nach Ansicht der Forschenden sind Kilonovae möglicherweise deutlich vielfältiger als bisher angenommen. Ähnliche Lichtsignale könnten auf unterschiedliche physikalische Prozesse zurückgehen.
Die Suche nach dem Ursprung des Goldes geht weiter
Die neue Studie bedeutet nicht, dass Neutronenstern-Kollisionen als Quelle schwerer Elemente ausgeschlossen sind. Im Gegenteil: Seit der spektakulären Beobachtung des Ereignisses GW170817 im Jahr 2017 gilt ihre Rolle bei der Entstehung schwerer Elemente als gut belegt.
Die aktuelle Arbeit stellt vielmehr die Frage, ob einige Beobachtungen bislang vorschnell interpretiert wurden. Möglicherweise gibt es mehrere Wege, auf denen schwere Elemente im Universum entstehen.
Dazu könnten gehören:
- Verschmelzungen von Neutronensternen
- Kollisionen von Neutronensternen mit Schwarzen Löchern
- Kollapsare
- weitere bislang unbekannte astrophysikalische Prozesse
Gravitationswellen sollen das Rätsel lösen
Die Forschenden setzen nun auf die sogenannte Multi-Messenger-Astronomie. Dabei werden Lichtsignale, Gammastrahlung, Gravitationswellen und weitere Messdaten gemeinsam ausgewertet.
Künftige Beobachtungen könnten zeigen, ob Ereignisse wie GRB 211211A und GRB 230307A tatsächlich von kollabierenden Sternen oder doch von verschmelzenden Neutronensternen ausgelöst wurden.
Fest steht bereits heute: Die Herkunft der schwersten Elemente des Universums ist komplexer, als viele Modelle bislang vermuten ließen. Die Suche nach den kosmischen Goldschmieden geht deshalb weiter.
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