Wissenschaft für alle Mittwoch, 19. Dezember 2007, 14h Hörsaal

Wir sind aus Sternenstaub gemacht... Die kleinen und großen Tricks der Natur bei der Synthese der Elemente in den Sternen

Fritz Bosch, GSI

"Alle Menschen streben von Natur aus nach Wissen" Aristoteles, Erster Satz der "Metaphysik"

" Πάντες άνθρωποι τοϋ ειδέναι ορέγονται φύσει "

Warum machen wir uns Gedanken über die Natur und das Universum?Aristoteles erklärt das ganz einfach:

April 1945 ↓

...Wo kommen wir her und wo gehen wir hin?

...Warum gibt es uns und das Universum überhaupt?

...wir wollen verstehen, wie alle die Elemente in unserem Sonnensystem und überall sonst im Universum entstanden sind

Aber Du hast alles geordnet nach Maß, Zahl und Gewicht, Weisheit Salomos 11, 21

Das "anthropische Prinzip"

Es könnte noch ungezählt viele andere Universen geben, die mit

unserem nicht "kausal verbunden" sind.

Dort könnten andere Naturgesetze gelten, die nicht zur Entwicklung von Materie, Sternen, Galaxien

und unseren Lebensformen geführt haben.

Unser Universum hat also "zufällig" so fein abgestimmte

Naturgesetze, dass nach Milliarden von Jahren intelligente

Wesen in der Lage sind, über diese Gesetze nachzudenken.

Wir sind aus Sternenstaub gemacht...Wir sind aus Sternenstaub gemacht...das wissen wir aber erst seit 50 Jahren* das wissen wir aber erst seit 50 Jahren*

* E.M. Burbidge, G.R. Burbidge, W.A. Fowler, F. Hoyle* E.M. Burbidge, G.R. Burbidge, W.A. Fowler, F. Hoyle

Review of Modern Physics Review of Modern Physics 29 ( (1957) 587 ) 587 B2FH

...vor etwa 14 Milliarden Jahren...

Das Universum ist am Anfang unvorstellbar klein und 'heiß' Das Produkt aus 'Größe' (R) und Temperatur (T) ist konstant

Teilchen und ihre Antiteilchen entstehen fortlaufendaus Strahlung und vernichten sich gegenseitig

solange die Energie der Strahlung (= thermische Energie kT) größer als zweimal die 'Ruheenergie' des Teilchens ist

Proton und Neutron im 'thermischen Gleichgewicht' :

T > 10 Milliarden Grad

Protonen werden zu Neutronen: p → Neutron + Positron + Neutrino - Energie (aus der heißen Umgebung)

Neutronen werden zu Protonen: n → Proton + Elektron + Antineutrino + Energie

'Primordiale' Bildung der Elemente Helium und Lithium etwa 6 – 200 Sekunden nach dem Anfang bei T ≈ 10 Milliarden Grad

Bildung von Neutronen und Protonen im Gleichgewicht

Temperatur: 1010 K ... 109 KDanach stoppt die Fusion für viele hundert Millionen Jahre!!

Abstoßung der Atomkerne wird zu groß bei fallendem T.Es gibt keine stabilen Kerne mit Massenzahlen A =5 und A =8

Unsere Milchstraße ist nur ein Unsere Milchstraße ist nur ein SandkornSandkornDer Andromedanebel, unsere Schwestergalaxis

...dann bilden sich die ersten Sterne und Galaxien...

Wasserstoffwolken im Adler künden die Geburt neuer Sterne

Quelle: NASA und Hubble-Teleskop

Supernova 1987AFebruar 1987 in der GroßenMagellanschen Wolke

Woher kommt das Material der neuen Sterne ?

Aus den abgeworfenen Hüllen von Riesensternen

und aus explodierten Sternen (Supernovae)

Im Innern der ersten Sterne beginnt viele hundert Millionen Jahre nach dem Anfangder "zweite Anlauf" für die Bildung der Elemente

Entdeckung der Isotope durch Aston 1920 Entdeckung der Isotope durch Aston 1920

Elemente (gleiche Ordnungszahl) können unterschiedliche Massenzahlen haben

Werner Heisenberg, Nobelpreis 1932 Ein Atomkern besteht aus Z Protonen und N Neutronen: N + Z = Massenzahl A 12C : Z = 6 (Element Kohlenstoff), A = 12 → N = 6 14C : Z = 6 " A = 14 → N = 8

Ein Atomkern besteht aus positiv geladenen Protonen und ungeladenen Neutronen

Ein freies Neutron zerfällt in ein Proton, ein Elektron und ein (Anti) Neutrino, da es um 0, 000 000 000 000 000 000 000 000 000 02 g schwerer als ein Proton ist

Ein freies Proton kann nicht zerfallen

1. Trick: In einem Atomkern sind beide Zerfallsarten möglich

Bedingung:

Die Gesamtmasse des Tochterkernsmuss kleiner als die gesamte Masse des Mutterkerns sein

Die Masse eines Atomkerns ist kleinerals die gesamte Masse seiner Bausteine

Massendifferenz x c2 = Bindungsenergie

Isotope und Stabilität von AtomkernenIsotope und Stabilität von Atomkernen

Hat ein Atomkern 'zuviele' Neutronen oder Protonen, kann eines davon zerfallen:

n → p + e- + Antineutrino (β - -Zerfall) p → n + e+ + Neutrino (β + -Zerfall)

3H ( Z = 1, N = 2) → 3He+ ( Z = 2, N = 1); A = 3

1. Unsere Existenz – eine Frage von 0.000 000 000 000 001 Sekunden

Im Zentrum der Sonne herrscht eine Temperatur von 15 Millionen Grad

Plasma aus Protonen, Elektronen und Helium mit 150 Gramm/cm3

Es gibt keine freien Neutronen

p → n + e+ + ν geht nicht !!

Wie zündet das Sonnenfeuer ??

p + p → 2He → nicht stabil !

p + 3,4He → 4,5Li → nicht stabil

Herr, Deine Idee, dieElemente in den Sternenzu erzeugen.....

ist wunderbar...

Aber wie willst Du dort schwere Atomkerne erzeugen, wenn es keine

Neutronen gibt ??

Ein Königreich für ein Neutron !!

Kleinmütiger! Wozu haben wir die schwache Wechselwirkung!

???

אבג

Erste himmlische Ratlosigkeit

1. Wunder: Eines der Protonen verwandelt sich in ein Neutron gemäß p → n + e+ + Neutrino, obwohl das freie Neutron eine größere Ruhemasse als das freie Proton hat !!

→ weil Proton und Neutron den Atomkern

'Deuteron' = 2H bilden,

dessen Ruhemasse kleiner als die Ruhemassevon zwei freien Protonen ist

Für ein Proton im Sonnenzentrum ist dieWahrscheinlichkeit, fusioniert zu werden,

äußerst klein: es muss im Mittel

14 Milliarden Jahre darauf warten!

Am Anfang aller Sonnen steht dieschwache Wechselwirkung

Die "schwache Urfusion" : p + p → 2H + e+ + νe

1. Die Protonen müssen in Kontakt kommen

2. Dazu brauchen sie eine Energie von 1 Million eV

Sie haben im Mittel aber eine fast tausendmal kleinere Energie

→ es gibt nur ganz wenige mit (viel) größerer Energie

→ es gibt den "Tunneleffekt"

Die Protonen haben 0.000 000 000 000 001 s "Zeit" – dann werden sie weggekickt

Das "Gamow-Fenster": garantiert nicht von Windows!

Deuteron 2H (d)

Sein oder Nichtsein ist also eine Frage von

0, 000 000 000 000 001 Sekunden

Ein Proton "wartet"≈ 14 Milliarden Jahre auf p + p → d +e- + νe

p + d → 3He ≈ 6 Sekunden

3He + 3He → 4He + 2p ≈ 1 Million Jahre

p + p → 2H+ + e + νe + 0.42 MeV

2H+ + p → 3He++ +5.49 MeV

3He + 3He → 4He + 2p +12,9 MeV

4 p → 4He +2 e+ + 2 νe + 25 MeV

Zahl der in der Sonne erzeugten Neutrinos /s = 2x L¤ /25 MeV = 50x 1044/(25x 106) =2x1038/s

Auf der Erde: 2x1038/ 4πR2 :

70 000 000 000 /[cm2 s]

Es gibt mehr Dinge zwischen Himmel und Erde, als eure

Schulweisheit sich träumen lässt

There are more things in heaven

and earth than are dreamt of

in your philosophy, Horatio!

Ich glaub' nur, was ich seh'!

Auf der Erde misst man pro m2 etwa 1400 Watt Sonnenleistung

Wie macht die Sonne das?? Keine chemischen Prozesse, sondern Kernfusion

R = 700 000 km

T = 5800 K

L¤ = 1400 W x 4π R2 (R = Abstand Erde-Sonne = 1,5 x 1011 m) = 4 x 1026 W = 25 1044 eV/s

L¤ = 400 000 000 000 000 000 000 000 000 W seit 4,6 Milliarden Jahren !!

Die nie zu hörende wichtigste Nachricht jedes Tages:

Nur der tief unter der Erdoberflächemit tausenden von 'Photomultipliern'

gemessene Neutrinofluss (1012 / [cm2s] erlaubt eine aktuelle Kontrolle der

Energieproduktion der SonneNeutrino-Detektor im Gran Sasso, Italien

SNO: Sadbury Neutrino Observatory

Kanada, für hochenergetische

Sonnenneutrinos: ν + e- → Cerenkov-Licht

GALLEX Neutrino Detektor Gran Sasso, Italien für p + p Sonnenneutrinos ν + 71Ga → 71Ge + Elektron

Neutrino Detektor, Homestake Mine South Dakota USA ν + 37Cl → 37Ar + Elektron

Kamiokande Neutrino Detektor

Kamioka, Japan, für hochenergetische

Sonnenneutrinos: ν + e- → Cerenkov -Licht

Herr, fast allesist jetzt wunderbar..

in DeinerSchöpfung..

Aber musstest Du unbedingt dieseseltsamen Neutrinos erschaffen,

die bei uns allen Kopfweh verursachen ?

Auch Deine ständigeMigräne kommt

nicht von ungefähr !!

Okay, ich schaff' sie ab,falls Luzifer nicht rummosert!

Wir haben jetzt vielleicht eine neue Erklärung für unsere Migräne - aber wozu braucht man diese Neutrinos eigentlich ??

2. Das große Nachdenken oder: Wie kommen

wir zu Kohlenstoff und Sauerstoff ??

4He + p → 5Li → nicht stabil !

4He + 4He → 8Be → nicht stabil

Herr, Deine Idee mitder DNA ist wunderbar

Daraus wird aberleider nix !

Weil Deine Lieblingsengel von derKernphysikabteilung gepennt haben!

5Li is' nicht, 8Be dito,wie sollen wir dazu 12C kommen !!

???

???

Ich frag' mal Fred Hoyle!

???

Fred

Das eigentlich größte Wunder – oder Fred Hoyles Traum im Jahr 1954 vom

angeregten 12C –Zustand:

3 4He- Kerne, für 10-16 s "zusammen"könnten in Energie und allen "Quanten-zahlen" einem angeregten Zustand des12C-Kerns bei 7.3 MeV entsprechen !

→ dieser Zustand (0+) wurde gefunden!

Stellare Nukleosynthese: Fusion bis zum Eisen

Wie macht die Natur die schweren Nuklide A > 56?

Herr, wir können jetzt alles bis zumEisen durch Fusion herstellen! Dann ist aber Ende!!

Hast Du noch schlimmere Tricks aufLager, als den mit den Neutrinos ??

??... ich flattere auf die nächste Sprosse -aber was soll das??

Erst schluckst Du einNeutron; dann verwandelst

Du ein Neutron in einProton, dann...

Nein !!

Stell Dir vor, Du wärst einHuhn. Was machst Du, wennDeine Leitersprosse voll ist?

???Think! Dein Huhn ist genial, Herr!

3. Die stellare "Hühnerleiter" erzeugt Elemente von Eisen bis Wismut durch eine Kette von Neutronen-Einfängen und Betazerfällen (Neutron → Proton)

p process

160 164162161

163

164 166

DyHoEr

r process

s process

162

165

163163

In Riesensternen gibt es Neutronen aus Kernreaktionen

Durch Neutroneneinfang kann ein Kern die Massenzahl A durch Betazerfall die Protonenzahl um eine Einheit vergrößern

Hat er schon mehr als genug 'gefressen', kann er ein Neutron wieder loswerden durchn → p + e- + νe* (β- ) → im 'Zigzag' eins nach "links", eins nach "oben"

s-Prozess:

'slow neutron capture'

T ≈ 300 Millionen K

Supernova 1987A

Viele Nuklide, die im s-Prozess nicht

erzeugt werden, z.B. Uran, Thorium..

entstehen im "r-Prozess"

(rapid neutron capture) in einem

gigantischen Neutronenfluss,

wahrscheinlich bei der Explosion

einer Supernova innerhalb einer

Sekunde

Zugleich mit ihrer Erzeugung werden siein den interstellaren Raum geschleudert

und bilden dort die "Saat" für neue Sterne

r-Prozess (rapid neutron capture) bei der Explosion einer SN?

Was von der Supernova im Jahr 1056 übrigblieb:Was von der Supernova im Jahr 1056 übrigblieb:

'Krebsnebel' M1

Wo passiert das alles und wie lange dauert es?

Auf der "Hauptreihe" erfolgt die Fusion Wasserstoff → Helium

Unsere Sonne tut dies friedlich seit4.6 Milliarden Jahren und noch etwa

weitere 5 Milliarden Jahre

Massereichere Sterne bleiben viel kürzer, masseärmere wesentlich

länger auf der "Hauptreihe"

DDie höheren Fusionsschritte erfolgenin Riesensternen und dauern

wesentlich kürzer (der allerletzte Schritt, die Fusion zu Eisen, ist eine

Sache von Stunden).

Für unsere Sonne endet die Fusion bei Kohlenstoff

In etwa 5 Milliarden Jahren wird die Sonne die Erdbahn verschlingen In etwa 5 Milliarden Jahren wird die Sonne die Erdbahn verschlingen

Wir wollen die Pfade der stellaren Synthese

der Elemente im Labor nachzeichnen

Dazu müssen wir instabile Nuklide imFragmentseparator erzeugen, in den ESRtransportieren, sie dort "kühlen" und dann ihre Masse und Lebensdauer messen

SIS

FRS

ESRSchottky P ick-U ps

from

UN

ILA

C Target

Electron cooler

TO F detector

Fragmentseparator und SpeicherringFragmentseparator und Speicherring

Aus den Massen kann man den "Weg"der stellaren Elementsynthese erschließen, aus den Lebensdauern die Häufigkeiten

Der Experimentier-SpeicherRing ESR

time

SMS

4 particles with different m/q

Yu.A. Litvinov

0 1 0 . 0 2 0 . 0 3 0 . 0 4 0 . 0 5 0 . 0 6 0 . 0 7 0 . 0 8 0 . 00

5

1 0

8 0 . 0 9 0 . 0 1 0 0 . 0 1 1 0 . 0 1 2 0 . 0 1 3 0 . 0 1 4 0 . 0 1 5 0 . 0 1 6 0 . 0

1 6 0 . 0 1 7 0 . 0 1 8 0 . 0 1 9 0 . 0 2 0 0 . 0 2 1 0 . 0 2 2 0 . 0 2 3 0 . 0 2 4 0 . 0

240.0 250.0 260.0 270.0 280.0 290.0 300.0 310.0 320.0

know n m asses A q+X unknow n m asses

N um ber of channels 216

R ecord ing tim e 30 sec

188 78+Pt

0

5

10

0

5

10

0

5

10

Frequency / kHz

Inte

nsity

/ ar

b. u

nits

201 84+

194 81+Tl

182 76+Pt182 76+

182 76+

189 79+

Ir

O s

Po

Hg

189 79+Au

177 74+W

196 82+Bi

196 82+Pb

184 77+Pt

184 77+Ir198 83+Bi

191 80+Tl

191 80+Hg

194 81+Au

200 83+Bi

183 76+Ir

183 76+O s

195 81+Tl195 81+PbPb

188 78+ 178 74+Re

190 79+Au

197 82+Bi

197 82+Pb

185 77+Ir

185 77+Pt192 80+Tl

192 80+Hg

199 83+Bi187 78+Pt

187 78+Au

Pb

190 79+Hg

IrAu 181 75+

198 82+Pb

193 80+Tl

193 80+Hg

194 80+Tl194 80+

189 78+

Tl191 79+Hg

187 77+

199 82+ Pb

Hg

196 81+

204 84+

Pt

Pb

Pt Ir186 77+

Po

187 77+Au

BiPbPb

182 75+Ir

194 80+Hg 189 78+Au189 78+

201 83+Po

201 83+Bi184 76+

184 76+O s

191 79+Au

203 84+Po

186 77+Pt

186 77+Ir181 75+R e198 82+Bi

193 80+Pb199 82+

O s181 75+

200 82+Bi

195 80+Tl

197 81+Pb

197 81+Bi 192 79+Hg

192 79+Au

198 81+Bi

198 81+Pb193 79+Tl

193 79+Hg

188 77+Au 205 84+Po

200 82+Pb200 82+Po195 80+Pb

190 78+Hg

190 78+Au

185 76+Pt

202 83+Po

202 83+Bi 197 81+Tl198 81+Pb

188 77+Pt

A q+X

15

0m

,g

6

5+

Dy

150

65

+

Tb

143

6

2+

143

m,g

6

2+

Eu S

m

157

68+

Er

127

55+

Cs

157

6

8+T

m

173

7

5+

166

72

+1

66

72+

180

78

+P

t

Re

Hf

Ta

152

6

6+

152

6

6+

Ho

Dy

159

6

9+

159

6

9+

13

6

59+

Tm

Yb

Pr

W

164

71+

171

74

Lu

16

4

71+

Hf

14

5

6

3+

122

53+

Gd

I

175

7

6+

161

70

+

138

6

0+161

70

+

16

8

7

3+16

8

73+

Os

TaW

Yb

Nd

Lu

14

9

65+

Tb

156

68

+

156

6

8+

Er

Tm

154

67+

154

67+

HoEr

163

71+

147

64

+

14

7

6

4+

147

6

4+

Dy

Tb

Gd

Lu

165

72

+1

65

7

2+

17

2

7

5+

163

7

1+

170

74

+

Hf

TaRe

W

Hf

10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 90000 100000

8

7

6

5

4

3

2

1

0

Frequency / H z

Inte

nsity

/ ar

b. u

nits

m ass know n m ass unknow n

Small-band Schottky frequency spectraSmall-band Schottky frequency spectra

Am Fragmentseparator und Speicherring gemessene Massen

Masses of more than 1100 Nuclides were measured

Mass accuracy: SMS 1.5 ∙10-7 up to 4 ∙10-8

IMS ~1 ∙10-6 Result: ~ 350 new masses In addition more than 300 improved mass values

ILIMA, Technical ProposalYu.A. Litvinov, G. Audi et al.

Versuch einer AntwortJedes Atom im Universum - außer

Wasserstoff und Helium - wurde und wird im Innern massereicher Sterne

('Riesensterne oder Supernovae) 'gekocht' Das "Rezept" ist Kernfusion und schwache

Kraft.Der erste und wichtigste Schritt, die

Bildung eines Deuterons (2H) aus zwei Protonen, ist dem schwachen Zerfall zu

verdanken. Die in der stellaren Synthese erzeugten

Atomkerne gelangen durch den Abwurf der Sternhülle oder die Explosion des

Sterns in den interstellaren Raum.

Später verdichtet sich diese Materie dann wieder und wird der Grundstoff neuer

Sterne und Planeten, z.B. unserer Sonne und unserer Erde.

...wir sind aus demselben Sternenstaub gemacht wie der Mond, die Palme, die

Bank und das Meer...

Ohne die schwache Kraft gäbe eskeine Sterne und auch uns nicht.

"Schwach" ist sehr, sehr stark!