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Ein schwarzes Loch, umgeben von einer Akkretionsscheibe. Hat diese Scheibe die richtige Masse, entstehen dort schwere Elemente wie Gold, Platin und Uran, zeigt eine neue Studie. (künstlerische Darstellung)
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Ein schwarzes Loch, umgeben von einer Akkretionsscheibe. Hat diese Scheibe die richtige Masse, entstehen dort schwere Elemente wie Gold, Platin und Uran, zeigt eine neue Studie. (künstlerische Darstellung)

Studie aus Darmstadt

Woher kommt das ganze Gold? Forschende haben schwarze Löcher im Verdacht

  • Tanja Banner
    VonTanja Banner
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Woher kommt all das Gold im Weltall? Eine Studie aus Darmstadt zeigt, dass schwarze Löcher unter bestimmten Bedingungen zu „Gold-Fabriken“ werden.

Darmstadt – Alle Elemente, die es auf der Erde gibt, sind irgendwann im Weltall entstanden. Doch nicht alle Elemente entstehen unter denselben Bedingungen: Für die Produktion schwerer Elemente wie Eisen werden große Mengen an Energie gebraucht, wie sie die Kernfusion in Sternen liefert. Für die noch schwereren Elemente wie Gold, Platin oder Uran reicht selbst diese Energiemenge nicht aus. Benötigt wird dazu auch ein Prozess namens „schneller Neutroneneinfang“ (auch gennant „r-Prozess“. Dabei kollidieren freie Neutronen mit einem Atom und werden von ihm absorbiert. Weisen die Neutronen eine bestimmte Mindestenergie auf, entstehen durch diesen Prozess schwere Elemente wie Gold. Bei der Kollision von Neutronensternen ist das beispielsweise der Fall, wie Forschende 2017 erstmals nachweisen konnten.

Doch es gibt nicht genug Kollisionen von Neutronensternen im Universum, um zu erklären, woher sämtliche schweren Elemente stammen. Wie das Portal Scinexx berichtet, kommt alleine Gold fünfmal häufiger in der Milchstraße vor, als es vorkommen dürfte, wenn das Schwermetall tatsächlich nur bei Neutronensternkollisionen entstehen kann. Aus diesem Grund suchen Forschende nach dem Ort im Weltall, an dem die richtigen Bedingungen für die Entstehung von Gold und anderen schweren Elementen vorherrschen. Aussichtsreiche Kandidaten hierfür sind Forschenden zufolge schwarze Löcher, die von einer sogenannten Akkretionsscheibe aus dichter und heißer Materie umkreist werden.

Weltall: Schwarzes Loch mit Akkretionsscheibe könnte Gold produzieren

Ein schwarzes Loch, das von einer Akkretionsscheibe umgeben ist, entsteht nach der Verschmelzung zweier massiver Neutronensterne, aber auch beim Kollaps und der anschließenden Explosion eines rotierenden Sterns (Kollapsar). Forschende um Oliver Just vom GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt haben sich nun der Frage angenommen, wo im Weltall man „Gold-Fabriken“ finden kann. „Wir haben in unserer Studie erstmals mittels aufwändiger Computersimulationen systematisch die Umwandlungsraten von Neutronen und Protonen für eine große Zahl an Scheibenkonfigurationen untersucht“, erklärt Just in einer GSI-Mitteilung. Dabei habe man herausgefunden, dass die Akkretionsscheiben um schwarze Löcher „sehr reich an Neutronen sind, solange bestimmte Bedingungen erfüllt sind“. Die Studie wurde im Fachjournal Monthly Notices of the Royal Astronomical Society veröffentlicht.

Akkretionsscheibe um schwarzes Loch muss zur Gold-Produktion bestimmte Masse haben

Maßgeblich sei die Gesamtmasse der Scheibe, die ein schwarzes Loch umkreist. „Je massereicher die Scheibe, desto öfter werden Neutronen aus Protonen gebildet und stehen somit zur Synthese schwerer Elemente zur Verfügung“, erläutert Just weiter. Sei die Scheibenmasse dagegen zu hoch, entstehe eine entgegengesetzte Reaktion. „Die Neutronen wandeln sich zurück in Protonen um, was den r-Prozess behindert.“ Die optimale Scheibenmasse, die ein schwarzes Loch umkreist und schwere Elemente wie Gold, Platin und Uran produzieren kann, liegt den Forschenden zufolge bei etwa ein bis zehn Prozent der Sonnenmasse.

Die Forschung aus Darmstadt zeigt also, dass schwarze Löcher, die aus der Verschmelzung zweier Neutronensterne entstanden sind, sehr wahrscheinliche Orte für die Produktion von Gold und anderen schweren Elementen sind. Schließlich entstehen bei einer Neutronensternverschmelzung Akkretionsscheiben mit genau den Massen, die laut der Studie optimale Bedingungen für „Gold-Fabriken“ bieten. Ob in Kollapsar-Sytemen ebenfalls die optimalen Akkretionsscheiben entstehen können, ist den Forschenden zufolge noch unklar.

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„Gold-Fabrik“ schwarzes Loch: Teilchenbeschleuniger in Darmstadt könnte weiter forschen

Im nächsten Schritt wollen die Forschenden aus Darmstadt untersuchen, wie man anhand des Lichts, das von einer Neutronensternverschmelzung ausgeht, berechnen kann, welche Masse die Akkretionsscheibe hat. „Diese Daten sind derzeit nur unzureichend vorhanden“, erklärt der GSI-Astrophysiker Andreas Bauswein. Mit der nächsten Generation von Teilchenbeschleunigern – eine dieser Anlagen wird derzeit am GSI in Darmstadt gebaut – sollen diese Daten in Zukunft genau gemessen werden können. „Das gut koordinierte Zusammenspiel von theoretischen Modellen, Experimenten und astronomischen Beobachtungen wird uns Forschenden in den nächsten Jahren ermöglichen, Neutronensternverschmelzungen als Ursprung der r-Prozess-Elemente zu testen“, prognostiziert Bauswein. (tab)

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