Das Silber oder Gold in unserem Schmuck ist in den intensivsten Explosionen des Universums entstanden, bevor es auf die Erde kam. Ursprünglich kannten Astronomen nur ein kosmisches Szenario für diesen Prozess: Man nahm an, dass solche Elemente durch die Kollision zweier ultradichter Sternüberreste, so genannter Neutronensterne, entstanden sind. Doch nun wurde ein anderer Prozess identifiziert .
Wie in The Astrophysical Journal Letters berichtet wird, haben Forscher Spuren der Bildung schwerer Elemente in einem gigantischen Ausbruch identifiziert, der erstmals im Jahr 2004 aus der Richtung eines hochmagnetischen Neutronensterns entdeckt wurde. Der Ausbruch, der mehr Energie freisetzte als die Sonne in 1 Million Jahren, war seit seiner ersten Entdeckung vor 20 Jahren von Geheimnissen umhüllt. Die Forscher haben das Ereignis auf einen nahe gelegenen Magnetar zurückgeführt, eine besondere Art von Neutronenstern mit einem Magnetfeld, das eine Billion Mal stärker ist als das der Erde. Das Seltsamste war, dass 10 Minuten nach dem gewaltigen Ausbruch ein zweites, schwächeres Signal vom selben Stern empfangen wurde.
Damals wussten die Astronomen noch nicht, dass dieses Nachleuchten mit dem sogenannten r-Prozess zusammenhängt. Im Jahr 2017 entdeckten Forscher dann den ersten Beweis für den r-Prozess, nachdem er in den 1950er Jahren erstmals theoretisiert worden war. Wenn die Glieder eines binären Neutronensterns kollidieren, breiten sich Wellen in der Raumzeit aus, und die Trümmer der Kollision werden ins All geschossen, wodurch Licht in allen Wellenlängen aufleuchtet. Nach der gleichzeitigen Entdeckung beider Signale - ein Durchbruch, der bestätigte, dass diese Art von Explosion von zwei kollidierenden Neutronensternen stammt - fanden die Forscher schließlich chemische Spuren des r-Prozesses in den Trümmern. Die Entdeckung bestätigte, dass Neutronensternverschmelzungen eine kosmische Quelle für schwere Elemente wie Gold, Silber und Platin sind.
Diese Art von Explosion konnte jedoch nicht die gesamte Ansammlung schwerer Elemente erklären. "Das Problem bei der Verschmelzung von Neutronensternen ist, dass sie erst relativ spät in der Geschichte unserer Galaxie auftraten", sagt Anirudh Patel, leitender Forscher der neuen Studie und Astronom an der Columbia University. Die Astronomen mussten daher nach anderen möglichen Quellen für die Bildung schwerer Elemente in früheren Epochen suchen. Während sie eine Reihe anderer Möglichkeiten untersuchten, führten Patel und sein Team Simulationen durch, die darauf hindeuteten, dass sich schwere Elemente bei riesigen Eruptionen bilden könnten. Nach einer erneuten Analyse des Ausbruchs von 2004 fanden sie weitere Beweise dafür, dass er genau der richtige Ort für den r-Prozess war.
Für die Bildung schwerer Elemente sind seltene, kurzlebige Atome erforderlich, von denen die meisten auf der Erde nicht natürlich vorkommen. Wenn sich Atome zu Elementen wie Gold oder Silber bilden, geben sie Energie in Form von Gammastrahlen ab. Interessanterweise war die Strahlung, die in dem mysteriösen Nachleuchten des Magnetars entdeckt wurde, genau das, was Astronomen während des r-Prozesses erwarten. "Keiner von uns hätte gedacht, dass die Daten 20 Jahre lang so perfekt mit unseren theoretischen Vorhersagen übereinstimmen würden", sagt Patel.
Die Forscher hoffen nun, die Bildung schwerer Elemente detaillierter als je zuvor untersuchen zu können. Während das Ereignis von 2017 zu weit entfernt war, als dass Astronomen einzelne Elemente hätten nachweisen können, könnten künftige Magnetar-Flares viel näher liegen. "Die vielleicht aufregendste Möglichkeit, die sich aus dieser Studie ergibt, ist, dass wir in der Lage sein könnten, einzelne Elemente im nächsten Magnetar-Ausbruch nachzuweisen", sagt Charles Horowitz, ein Physiker an der Indiana University, der nicht an der aktuellen Arbeit beteiligt war.
Über die anderen Quellen des r-Flusses herrscht jedoch noch große Unsicherheit. Die neue Studie deutet darauf hin, dass dieser Prozess für etwa 10 % der schweren Elemente in der Milchstraße verantwortlich sein könnte, was bedeutet, dass die Astronomen nach weiteren Prozessen suchen müssen, um die Quellen all dieser Elemente zu finden. Ein weiterer möglicher Ort könnte eine seltene Art von Supernova sein, die schnell rotierende Neutronensterne erzeugt, sagt Patel.
In jedem Fall hofft der Experte, dass das Bild mit weiteren Beobachtungen klarer werden wird. "Diese schweren Elemente durchdringen unser Leben - wir verwenden sie jeden Tag. Es ist erstaunlich, wenn man an die extremen astrophysikalischen Umgebungen denkt, in denen sie gebildet werden", sagt Patel.
