Die größten Explosionen im Universum haben die Elemente geschaffen, aus denen wir bestehen, aber es gibt noch eine andere mysteriöse Quelle

Nach seiner „Geburt“ beim Urknall bestand das Universum hauptsächlich aus Wasserstoffatomen und einigen wenigen Heliumatomen. Sie sind die leichtesten Elemente im Periodensystem. Nahezu alle Elemente, die schwerer als Helium sind, sind in den 13,8 Milliarden Jahren zwischen dem Urknall und heute entstanden.

Sterne haben viele dieser schwereren Elemente durch den Prozess der Kernfusion erzeugt. Allerdings werden die Elemente dadurch nur so schwer wie Eisen. Die Erzeugung schwererer Elemente würde Energie verbrauchen, anstatt sie freizusetzen.

Um das Vorhandensein dieser schwereren Elemente heute zu erklären, müssen wir die Phänomene finden, die sie erzeugen können. Ein Ereignistyp, der perfekt passt, ist der Gammastrahlenausbruch (GRB), die stärkste Explosionsklasse im Universum. Diese können mit einer Trillion (10 gefolgt von 18 Nullen) der Leuchtkraft unserer Sonne aufflammen und werden vermutlich durch verschiedene Arten von Ereignissen verursacht.

GRBs können in zwei Kategorien unterteilt werden: lange Bursts und kurze Bursts. Lange GRBs werden mit dem Tod massereicher, schnell rotierender Sterne in Verbindung gebracht. Nach dieser Theorie schleudert die schnelle Rotation Material, das beim Kollaps eines massereichen Sterns ausgestoßen wird, in schmale Jets, die sich mit extrem hoher Geschwindigkeit bewegen.

Die kurzen Ausbrüche dauern nur wenige Sekunden. Es wird angenommen, dass sie durch die Kollision zweier Neutronensterne, kompakter und dichter „toter“ Sterne, verursacht werden. Im August 2017 trug ein bedeutendes Ereignis dazu bei, diese Theorie zu untermauern. Ligo und Virgo, zwei Gravitationswellendetektoren in den Vereinigten Staaten, entdeckten ein Signal, das offenbar von zwei Neutronensternen kam, die auf eine Kollision zusteuerten.

Sekunden später wurde ein kurzer Gammastrahlenausbruch, bekannt als GRB 100817A, aus derselben Himmelsrichtung entdeckt. Einige Wochen lang zeigte praktisch jedes Teleskop auf dem Planeten auf dieses Ereignis, in einem beispiellosen Versuch, seine Folgen zu untersuchen.

Beobachtungen ergaben eine Kilonova am Standort von GRB 170817A. Eine Kilonova ist eine schwächere Cousine einer Supernova-Explosion. Noch interessanter war, dass es Hinweise darauf gab, dass bei der Explosion viele schwere Elemente entstanden waren. Die Autoren einer Studie in Natur Wer die Explosion analysierte, zeigte, dass diese Kilonova anscheinend zwei verschiedene Kategorien von Trümmern oder Auswurfmaterial erzeugte. Einer bestand hauptsächlich aus leichten Elementen, während ein anderer aus schweren Elementen bestand.

Wir haben bereits erwähnt, dass bei der Kernspaltung im Periodensystem nur Elemente entstehen können, die so schwer sind wie Eisen. Aber es gibt noch einen anderen Prozess, der erklären könnte, wie die Kilonova noch schwerere Exemplare produzieren konnte.

Der schnelle Neutroneneinfangprozess oder R-Prozess ist der Prozess, bei dem die Kerne (oder Kerne) schwererer Elemente wie Eisen in kurzer Zeit viele Neutronenteilchen einfangen. Ihre Masse nimmt dann schnell zu und es entstehen deutlich schwerere Elemente. Damit der R-Prozess funktioniert, sind jedoch die richtigen Bedingungen erforderlich: hohe Dichte, hohe Temperatur und eine große Anzahl verfügbarer freier Neutronen. Gammastrahlenausbrüche sorgen für diese notwendigen Voraussetzungen.

Allerdings sind Verschmelzungen zweier Neutronensterne, wie sie die Kilonova GRB 170817A verursachten, sehr selten. Tatsächlich könnten sie so selten sein, dass sie eine unwahrscheinliche Quelle schwerer Elemente wären, die im Universum reichlich vorhanden sind. Aber was ist mit langen GRBs?

Eine aktuelle Studie untersuchte insbesondere einen langen Gammastrahlenausbruch, GRB 221009. Dieser hat den Spitznamen BOAT erhalten, der hellste aller Zeiten. Dieser GRB wurde am 9. Oktober 2022 als intensiver Strahlungsimpuls erfasst, der über das Sonnensystem fegte.

Das BOAT startete eine astronomische Beobachtungskampagne ähnlich der der Kilonova. Dieser GRB war zehnmal energiereicher als der vorherige Rekordhalter und so nah an uns, dass sein Einfluss auf die Erdatmosphäre am Boden messbar und mit einem großen Sonnensturm vergleichbar war.

Zu den Teleskopen, die die Folgen von BOAT untersuchten, gehörte das James Webb Space Telescope (JWST). Er beobachtete den GRB etwa sechs Monate nach seiner Explosion, um nicht vom Nachglühen der ersten Explosion geblendet zu werden. Von JWST gesammelte Daten zeigten, dass das Ereignis trotz der außergewöhnlichen Helligkeit auf eine lediglich durchschnittliche Supernova-Explosion zurückzuführen war.

Tatsächlich deuteten frühere Beobachtungen anderer langer GRBs darauf hin, dass es keinen Zusammenhang zwischen der Helligkeit des GRBs und der Größe der damit verbundenen Supernova-Explosion gab. Das BOOT scheint keine Ausnahme zu sein.

Das JWST-Team ermittelte auch die Anzahl der schweren Elemente, die während der BOAT-Explosion erzeugt wurden. Sie fanden keine Hinweise auf Elemente, die durch den R-Prozess erzeugt wurden. Das ist überraschend, denn theoretisch geht man davon aus, dass die Helligkeit eines langen GRB mit den Bedingungen in seinem Kern, höchstwahrscheinlich einem Schwarzen Loch, zusammenhängt. Bei sehr hellen Ereignissen – insbesondere einem so extremen Ereignis wie BOAT – sollten die Bedingungen für das Auftreten des R-Prozesses stimmen.

Diese Ergebnisse legen nahe, dass Gammastrahlenausbrüche möglicherweise nicht die erhoffte entscheidende Quelle der schweren Elemente des Universums sind. Stattdessen müssen noch eine oder mehrere Quellen verfügbar sein.

Dieser Artikel wurde von The Conversation unter einer Creative Commons-Lizenz erneut veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.