Woher kommen Gold und Platin im Universum?

Woher stammen Gold, Platin oder Uran? Diese Frage beschäftigt die Astrophysik und Kernphysik seit Jahrzehnten. Ein Forschungsteam der Technischen Universität Darmstadt hat nun einen wichtigen Schritt zum Verständnis der Entstehung dieser schweren Elemente gemacht. Die Ergebnisse zeigen erstmals, wie moderne Ab-initio-Berechnungen von Atomkernen die Vorhersagen für die sogenannte r-Prozess-Nukleosynthese deutlich verbessern können.

Der r-Prozess in extremen Bedingungen

Etwa die Hälfte aller Elemente, die schwerer als Eisen sind, entsteht im schnellen Neutroneneinfangprozess (r-Prozess). Dieser läuft unter extremen Bedingungen ab, wie etwa bei der Kollision zweier Neutronensterne, wo Atomkerne in kürzester Zeit mit Neutronen bombardiert werden und so immer schwerere Elemente bilden.

Da viele der beteiligten extrem neutronenreichen Atomkerne im Labor nicht untersucht werden können, sind Forschende auf theoretische Modelle angewiesen. Deren Vorhersagen weichen weit entfernt von experimentell bekannten Kernen jedoch oft stark voneinander ab, auch wenn einzelne exotische Kerne an Anlagen wie FAIR des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung erzeugt werden.

“Die Studie zeigt damit auch, dass sich der größtmögliche Erkenntnisgewinn durch die Kombination neuer Experimente mit modernsten theoretischen Modellen für Schlüsselregionen von neutronenreichen Kernen erzielen lässt“, erklärt Prof. Almudena Arcones. „So sind die Berechnungen auch von wichtiger Bedeutung, um die relevantesten Isotope zu identifizieren, die in künftigen Experimenten untersucht werden sollten.”

Ab-initio-Berechnungen aus Fundamentalgesetzen

Die Forschenden nutzten erstmals Kernmassen, die mit einer modernen Ab-initio-Methode berechnet wurden. Dieser Ansatz basiert direkt auf den fundamentalen Wechselwirkungen zwischen Protonen und Neutronen und erlaubt die Abschätzung theoretischer Unsicherheiten. Mit der VS-IMSRG-Methode berechneten Takayuki Miyagi und Achim Schwenk die Eigenschaften von 70 Schlüsselkernen nahe der magischen Neutronenzahl N = 82, einer Region, die zentral für die Bildung des zweiten r-Prozess-Peaks ist. Diese Daten flossen anschließend in umfangreiche Simulationen von Neutronenstern-Verschmelzungen und weiteren extremen astrophysikalischen Szenarien ein.

Verzögerter Materialfluss und Elementhäufigkeiten

Die neu berechneten Kernmassen bremsen den Materialfluss im r-Prozess stärker als bisherige Modelle, sodass sich Materie länger in einer bestimmten Region sammelt, bevor schwerere Elemente entstehen.

„Bereits vergleichsweise kleine Änderungen der Kernmassen können die vorhergesagten Häufigkeiten schwerer Elemente im Universum deutlich beeinflussen“, sagt Jan Kuske. Die Studie sagt eine stärkere Ausprägung des zweiten und eine Verschiebung des dritten r-Prozess-Peaks voraus und liefert damit neue Hinweise auf die Entstehung von Gold und Platin.

Theorie als Richtungsweiser

Da viele r-Prozess-Kerne auch für zukünftige Beschleunigergenerationen schwer zugänglich bleiben, gewinnen präzise theoretische Methoden enorm an Bedeutung. Die Ab-initio-Berechnungen erreichen nun ein Niveau, mit dem sie direkt zum besseren Verständnis astrophysikalischer Prozesse beitragen.

Quelle

Technische Universität Darmstadt (08/2026)