Wie sind schwere Elemente in unserem Universum entstanden? Für die Seltenerdmetalle Lanthan und Cer bietet nun eine Neutronensternkollision die Antwort. Forscher haben nun erstmals die Signaturen dieser Lanthanoide in ihrem Spektrum nachgewiesen. Dies bestätigt, dass die für solch schwere Atome erforderlichen Neutroneneinfangreaktionen nur bei extremen kosmischen Ereignissen stattfinden. Aktinoides Thorium könnte auch bei der Kollision von Neutronensternen entstanden sein, aber die Beweise sind weniger eindeutig.
Kurz nach dem Urknall gab es im Universum nur Wasserstoff und etwas Helium und Lithium. Schwerere chemische Elemente entstanden erst durch Kernfusion innerhalb der ersten Sterne, Roten Riesen und Supernovae. Für Atome der Lanthaniden- und Aktinidengruppen sowie für Wismut-Schwergewichte ab Ordnungszahl 83 reichen diese Prozesse jedoch nicht mehr aus. Diese Elemente können nur durch schnellen, hochenergetischen Neutroneneinfang, den sogenannten r-Prozess, erzeugt werden.
Lange Zeit war nicht klar, wo dieser R-Prozess im Kosmos stattfindet. Aber als Astronomen 2017 zum ersten Mal eine Neutronensternkollision mit Teleskopen und Gravitationswellendetektoren aufzeichneten, konnten sie die spektralen Signaturen von Gold, Platin und Strontium in der Explosionswolke nachweisen, Elemente, die nur durch schnellen Neutroneneinfang entstehen.
Beobachtete (grau) und modellierte (blau) spektrale Signaturen schwerer Elemente bei einer Neutronensternkollision. © Nanae Domoto et al.
Jagd nach kosmischen Seltenerdmetallen
Nun haben Wissenschaftler erstmals auch die Signatur von Seltenerdmetallen im Spektrum eines kollidierenden Neutronensterns identifiziert. Bisher war nicht klar, wie die Spektrallinien der Elemente der Lanthaniden- und Aktinidengruppen in diesen Kilonova-Explosionen aussehen und ob sie beobachtet werden können. „Um elementare Informationen aus Spektren zu erhalten, sind zunächst spektroskopisch genaue Atomdaten erforderlich“, erklären Nanae Domoto von der Tohoku-Universität in Japan und Kollegen.
Für ihre Studie analysierten die Forscher zunächst die Struktur und Energieniveaus der Elektronenhüllen der Elemente ab Strontium aufwärts. Anhand eines Modells ermittelten sie, welche Energiezustände und damit Spektrallinien von diesen Atomen unter den Bedingungen einer Neutronensternkollision zu erwarten wären.
Welche Elemente wären im Spektrum sichtbar?
Das Ergebnis: „Nur wenige Elemente mit Ordnungszahlen von 38 bis 88, darunter Strontium, Ytterbium, Zirkonium, Barium, Lanthan und Cer, können in diesen Spektren starke Absorptionssignaturen erzeugen“, berichten Domoto und Kollegen. Demnach sind die Elemente der Gruppen II bis IV des Periodensystems besonders gut sichtbar, da sie eine relativ geringe Anzahl an Außenelektronen und niedrige Energieniveaus aufweisen.
Basierend auf diesen Erkenntnissen modellierten die Forscher dann, bei welcher Wellenlänge des Spektrums die Linien dieser Elemente liegen und in welchem Stadium des Nachleuchtens einer Neutronensternkollision sie besser sichtbar wären Dabei zeigte sich, dass die Absorptionslinien von Ytterbium und Zirkonium, aber auch der Seltenerdmetalle Lanthan und Cer im nahen Infrarotbereich liegen müssen.
Eindeutiger Nachweis von Lanthan und Cer
Als die Forscher in Infrarotdaten der Neutronensternkollision 2017 nach diesen Spektrallinien suchten, wurden sie fündig: In den beobachteten Spektren tauchten Linien auf, die gut mit den zuvor im Modell simulierten spektralen Signaturen von Lanthan und Cer übereinstimmten. . Sie konnten auch mögliche Spuren von Thorium, Ytterbium und Zirkon identifizieren. „Dies ist der erste direkte Nachweis von Seltenerdmetallen im Spektrum von Neutronensternkollisionen“, sagt Domoto.
Dem Team gelang es sogar, grob abzuschätzen, wie viel Lanthan und Cer bei der Neutronensternkollision GW17081 gebildet wurden. Folglich beträgt der Massenanteil von Lanthan gut zwei Millionstel, der von Cer von einem bis zu 100 Hunderttausendstel. „Dies ist die erste spektroskopische Abschätzung der Häufigkeit von Lanthanoiden im Auswurf eines kollidierenden Neutronensterns“, sagen Domoto und Kollegen.
Die Forscher hoffen, dass ihre Methode in Zukunft den Nachweis anderer schwerer Elemente bei Kollisionen mit Neutronensternen und anderen extremen kosmischen Ereignissen ermöglichen wird. „Das hilft uns zu verstehen, wie sich Elemente im Universum bilden“, sagt Domoto. (The Astrophysical Journal, 2022; doi: 10.3847/1538-4357/ac8c36)
Quelle: Zentrum für Computational Astrophysics
31. Oktober 2022
– Nadja Podbregar