Neue Hinweise auf Super-Schwerelemente in uralten Sternen

Die Rolle von Sternen bei der Elementenbildung

Der Reichtum an Elementen im heutigen Universum wird den Sternen zugeschrieben. Diese kosmischen Fabriken nehmen Elemente aus ihrer Umgebung und verschmelzen sie, um neue zu produzieren. Wenn die Sterne letztendlich sterben, verbreiten sie die Früchte ihrer Arbeit im gesamten Universum. Dies gibt der nächsten Generation von Sternen eine fortgeschrittenere Grundlage, um noch schwerere Elemente zu produzieren.

Das Rätsel der Super-Schwerelemente

Die Fragen, die in einer neuen Studie von Wissenschaftlern der North Carolina State University im Vordergrund standen, drehen sich um das Limit dieses Prozesses und wie schwer ein Element werden kann. Elemente gelten als schwerer oder leichter abhängig von ihrer Atommasse, die als die Anzahl der Protonen und Neutronen im Kern eines einzigen Atoms dieses Elements definiert ist.

Die Entdeckung leerer Einzelatomkerne

Die schwersten Elemente werden durch den sogenannten r-Prozess produziert, der nur in den extremen Umgebungen von Neutronensternen stattfinden kann. Im Grunde wird ein Atomkern, der im Stern schwebt, in Bruchteilen von Sekunden von Neutronen überschwemmt, bevor einige dieser Neutronen in Protonen umgewandelt werden. Das Ergebnis ist ein Atom eines schweren Elements wie Platin oder Uran.

Der Ursprung der Elemente

"Der r-Prozess ist notwendig, wenn man Elemente produzieren möchte, die schwerer sind als zum Beispiel Blei und Bismut", sagte Ian Roederer, Leitautor der Studie. "Du musst sehr schnell viele Neutronen hinzufügen, aber der Haken dabei ist, dass du viel Energie und viele Neutronen dafür brauchst. Die besten Orte, um beides zu finden, sind die Geburt oder der Tod eines Neutronensterns, oder wenn Neutronensterne kollidieren und die Rohstoffe für den Prozess produzieren."

Die Untersuchung der Sterne im Milchstraßensystem

Das Team untersuchte die Zusammensetzung von 42 gut erforschten Sternen in der Milchstraße, die bekanntermaßen schwere Elemente enthalten, die in früheren Generationen von Sternen geschmiedet wurden. Anstatt jeden Stern einzeln zu betrachten, untersuchten die Forscher die Häufigkeiten von Elementen kollektiv in der Gruppe und entdeckten bisher übersehene Muster.

Die Entdeckung von neuen Elementen

Bestimmte Elemente wie Ruthenium, Rhodium, Palladium und Silber waren in diesen Sternen reichlich vorhanden, aber die Elemente direkt neben ihnen im Periodensystem wiesen diese gleichen Korrelationen nicht auf. Das Team ist der Ansicht, dass dies ein Hinweis darauf ist, dass diese Elemente aus viel schwereren Elementen entstanden sind, die zerfallen sind. Rückwärts arbeitend berechneten die Forscher, dass die Ausgangselemente eine Atommasse von mindestens 260 u aufgewiesen haben müssten.

Schlussfolgerung und Ausblick

"Diese 260 ist interessant, denn wir haben zuvor noch nichts so schweres im Weltraum oder natürlich auf der Erde entdeckt, sogar nicht bei Kernwaffentests", sagte Roederer. "Aber sie im Weltraum zu sehen, gibt uns Anhaltspunkte dafür, wie wir über Modelle und Spaltung nachdenken können – und könnte uns Einblicke geben, wie die reiche Vielfalt an Elementen entstanden ist."

Die Suche nach neuen Elementen

Wissenschaftler haben schon lange theoretisiert, dass es wahrscheinlich mehr Elemente jenseits des Periodensystems gibt, aber ihre Atommasse macht sie instabil, so dass sie schnell in leichtere Elemente zerfallen würden. Das erschwert natürlich die Suche und das Studium dieser Elemente – das schwerste bekannte Element, Oganesson, hat eine Atommasse von 294 u, und es wurden bisher nur fünf davon im Labor produziert.

Quelle: Ian U. Roederer et al., Element abundance patterns in stars indicate fission of nuclei heavier than uranium. Science 382, 1177-1180(2023). DOI:10.1126/science.adf1341