Stellare Nukleosynthese

Stellare Nukleosynthese ist der fundamentale Prozess, durch den Sterne die chemischen Elemente erzeugen, aus denen Planeten, Lebewesen und letztlich alles bestehen, was wir kennen. Im Urknall entstanden fast ausschließlich Wasserstoff und Helium sowie Spuren von Lithium. Alle schwereren Elemente, vom Kohlenstoff in unseren Zellen bis zum Eisen in unserem Blut, wurden in Sternen erzeugt.

Im Kern eines Sterns verschmelzen unter extremem Druck und Temperaturen von Millionen Grad leichtere Atomkerne zu schwereren. Hauptreihensterne wie unsere Sonne fusionieren Wasserstoff zu Helium. Massereichere Sterne erreichen in späteren Lebensphasen Temperaturen, die das Fusionieren von Helium zu Kohlenstoff, Kohlenstoff zu Sauerstoff und so weiter bis hin zu Eisen ermöglichen.

Bei Eisen endet die Kette, weil die Fusion schwererer Elemente Energie verbraucht statt freizusetzen. Elemente jenseits von Eisen entstehen in den katastrophalen Explosionen von Supernovae und in der Kollision von Neutronensternen, wo extreme Neutronenflüsse den r-Prozess antreiben und Elemente wie Gold, Platin und Uran erzeugen. Carl Sagan fasste diese Erkenntnis in dem berühmten Satz zusammen, dass wir aus Sternenstaub bestehen.

In der Science-Fiction bildet stellare Nukleosynthese den Hintergrund für Geschichten über das Sammeln seltener Elemente, das Manipulieren von Sternen und die kosmische Verbundenheit allen Lebens. Alastair Reynolds und Gregory Benford verwenden das Konzept in ihren Hard-SciFi-Romanen. Das Verständnis der stellaren Nukleosynthese veränderte unser Bild vom Universum grundlegend: Wir sind buchstäblich aus dem Material explodierter Sterne zusammengesetzt.

Die Nukleosynthese nach dem Urknall (Big-Bang-Nukleosynthese) erzeugte in den ersten Minuten des Universums Wasserstoff, Helium und kleine Mengen Lithium, Beryllium und Bor. Alles, was schwerer ist, entstand danach in Sternen. Die Theorie dieser kosmischen Elementküche, bekannt als B²FH-Papier nach seinen Autoren Burbidge, Burbidge, Fowler und Hoyle, wurde 1957 veröffentlicht und gilt als eines der wichtigsten Papers der modernen Astrophysik. William Fowler erhielt dafür 1983 den Nobelpreis.

Gold und Platin, die schwersten stabilen Elemente, entstehen fast ausschließlich im r-Prozess bei Neutronenstern-Kollisionen. Das LIGO-Ereignis GW170817 vom August 2017, die erste beobachtete Kollision zweier Neutronensterne in Gravitationswellen und Licht zugleich, bestätigte diese Theorie eindrucksvoll. Die Spektralanalyse der Kilonova-Explosion zeigte die charakteristischen Signaturen schwerer Elemente, die in diesem Moment erzeugt wurden. Das Gold in einem Ehering könnte aus einer Kilonova stammen, die Milliarden Jahre vor der Entstehung unseres Sonnensystems stattfand.