Crap Nebula, Hubble Telescope
Kosmische Überbleibsel einer Superova, aufgenommen mit dem Hubble-Weltraumteleskop. 1054 wurde die Sternenexplosion auf der Erde beobachtet.

Neue Erkenntnisse zu gewinnen über den Aufbau und die Beschaffenheit von Materie und darüber, wie Elemente wie etwa Gold im Universum entstanden sind, sind die Forschungsziele des Clusterprojekts ELEMENTS. Unter Federführung der Goethe-Universität Frankfurt werden Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler an Teilchenbeschleunigern experimentieren, um die Materie in extremen astrophysikalischen Objekten wie Neutronensterne zu verstehen und mit theoretischen Modellen zu beschreiben. Das Clusterprojekt dient der Vorbereitung auf die nächste Runde der Exzellenzstrategie und wird vom Land Hessen, von der Goethe-Universität und den Mitantragstellern, der Technischen Universität Darmstadt, der Justus-Liebig-Universität Gießen und dem GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung mit insgesamt 16 Millionen Euro gefördert. Forschungsstrategisch knüpft ELEMENTS an die enge Kooperation der Goethe-Universität und der TU Darmstadt im Verbund der Rhein-Main-Universitäten an.

Im Jahr 1054 berichteten chinesische Astronomen von einem neuen Stern, der auch tagsüber sichtbar war, nach einiger Zeit jedoch wieder verschwand. Das Himmelsphänomen wurde auch von einem flandrischen Mönch und weiteren Beobachtern in Europa und Asien beschrieben und taucht auch in Felszeichnungen nordamerikanischer Indianer auf. Knapp 900 Jahre später führte der Astronom Edwin Hubble den Krebsnebel, eine riesige Staubund Gaswolke im Sternbild Stier, auf eine gewaltige Sternenexplosion zurück, deren Licht die Erde 1054 erreicht hatte und als neuer Stern interpretiert wurde: eine Supernova. Supernovae entstehen am Ende der Lebenszeit sehr großer Sterne, wenn in ihrem Zentrum der Kernbrennstoff Wasserstoff verbraucht ist. Dadurch wird der nach außen gerichtete Strahlungsdruck immer geringer, bis schließlich der Stern unter seiner eigenen Gravitation kollabiert. In der Folge wird die Materie im Inneren extrem verdichtet – bis auf die Dichte von Atomkernen – und reflektiert die Druckwelle, sodass ein Großteil der Sternenmaterie weggesprengt wird – so entstand der Krebsnebel, der sich bis heute mit einer Geschwindigkeit von 1500 Kilometern pro Sekunde ausdehnt.

In seinem Zentrum blieb ein Neutronenstern zurück, ein extrem dichtes Objekt von etwa 30 Kilometern Durchmesser, in dem etwas mehr als eine Sonnenmasse unvorstellbar stark zusammengepresst ist: Ein Würfel Neutronensternmasse mit einem Zentimeter Kantenlänge würde auf der Erde 100 Millionen Tonnen wiegen. Ist der Ursprungsstern extrem groß und hat mehr als 40 Sonnenmassen, entsteht nach dem Ausbrennen ein Schwarzes Loch. In seiner unmittelbaren Umgebung erzeugt ein Schwarzes Loch eine so starke Gravitation, dass jenseits des Ereignishorizonts nicht einmal Licht herausgelangt.

Es sind diese extremen Materiezustände, die Neutronensterne und Schwarze Löcher für die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von ELEMENTS so interessant machen. Kollidieren etwa zwei Neutronensterne miteinander, wird ihre Materie möglicherweise so verdichtet, dass die Neutronen im Inneren in ihre elementaren Bestandteile Quarks und Gluonen aufgelöst sind. Ein ähnliches Quark-Gluon-Plasma hat es Sekundenbruchteile nach dem Urknall gegeben, und als sich das expandierende Weltall abkühlte, schlossen sich Quarks und Gluonen zu Protonen und Neutronen und die wiederum zu Atomkernen und Atomen zusammen – zu der Materieform also, aus denen Planeten und Sterne heute überwiegend bestehen.

Die ELEMENTS-Forschenden erforschen u. a. solche Phasenübergänge von Materie, denn die könnten etwas darüber verraten, warum – außerhalb von Quark- Gluon-Plasmen – Quarks immer nur in Pärchen oder Gruppen, nie aber alleine auftreten. Daher versuchen die Wissenschaftler*innen im Labormaßstab, für Sekundenbruchteile Quark-Gluon-Plasmen zu erzeugen. Sie nutzen dafür Teilchenbeschleuniger wie die neue Anlage FAIR, die derzeit beim GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt entsteht, und lassen dort Atomkerne beziehungsweise Ionen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit mit anderen Atomen kollidieren.

Astrophysikalische Beobachtungen werden die experimentellen Laborbeobachtungen ergänzen. 2017 wurden an den LIGO- und Virgo-Detektoren erstmals Gravitationswellen gemessen, die durch nahezu gleichzeitige Aufzeichnung eines Gammastrahlblitzes und spätere Beobachtung durch optische Teleskope als Neutronensternkollision identifiziert werden konnten. Auch solche Kollisionen enden in großen Explosionen, die als Kilonovae bezeichnet werden und ebenfalls große Materiemengen ins Weltall schleudern. Diese enthalten auch schwere Elemente wie etwa Gold, Platin oder Uran, die nach derzeitigem Erkenntnisstand ausschließlich in derartigen kosmischen Explosionen in der Natur entstehen können und die die optisch beobachtbaren Signale entscheidend prägen. Andererseits lässt sich aus den Gravitationswellen solcher Kilonovae nicht nur etwas über Gravitation lernen, sondern auch über das Verhalten von Materie unter derartig extremen Bedingungen. Mit theoretischen Modellierungen in Supercomputern wollen die ELEMENTS-Forscher*innen Muster in Gravitationswellen voraussagen, die z.B. auf Temperatur und Dichte in kollidierenden Systemen, auch z. B. eines Neutronensterns mit einem Schwarzen Loch, schließen lassen. ELEMENTS-Sprecher Prof. Luciano Rezzolla vom Institut für Theoretische Physik der Goethe-Universität erklärt: „Am Beispiel der Gravitationswellen wird klar, wie gewaltige kosmische Ereignisse mit dem Verhalten und den Eigenschaften der kleinsten Elementarteilchen zusammenhängen: Es gelten dieselben physikalischen Gesetze, und so können wir im ELEMENTS-Cluster vom Mikrokosmos für den Makrokosmos lernen und umgekehrt.“

Auf ähnliche Weise fließen bei ELEMENTS theoretische, astrophysikalische und experimentelle Daten zusammen, die die Entstehung schwerer Elemente aufklären sollen. Der Urknall brachte die leichten Elemente Wasserstoff und Helium hervor, und durch Kernfusion werden in Sternen alle Elemente bis hinauf zu Eisen gebildet. Alle schwereren Elemente wie Gold, Platin oder Uran entstanden und entstehen erst bei kosmischen Großereignissen wie Neutronensternkollisionen durch einen Zyklus von schnellem Einfang von Neutronen und Kernspaltungsreaktionen. Spaltungs- und Einfangreaktionen wollen die ELEMENTS-Forscher*innen künftig in der neuen Beschleunigeranlage FAIR und dem Elektronenbeschleuniger S-DALINAC an der TU Darmstadt erzeugen und untersuchen. ELEMENTS-Sprecher Prof. Norbert Pietralla vom Institut für Kernphysik der TU Darmstadt erläutert: „Mit FAIR und am S-DALINAC wollen wir die Entstehung der schweren Elemente im Kosmos besser verstehen und unser Wissen über die Starke Kraft erweitern, die die Atomkerne und Protonen und Neutronen zusammenhält. Im ELEMENTS-Cluster werden wir unser Verständnis zum Ursprung von Materie im Universum auf ein neues Niveau heben.“

VERTRAUEN IM KONFLIKT, NEUTRONENSTERNE UND KRANKHEITSMECHANISMEN

Welche Möglichkeiten bieten gesellschaftliche Konflikte, um Vertrauen zu schaffen? Was passiert, wenn Neutronensterne miteinander verschmelzen und dabei Gravitationswellen und schwere chemische Elemente produzieren? Wie können neuartige Medikamente für Entzündungen und Infektionen entwickelt werden, wenn man das innere Gleichgewicht von Zellen (Homöostase) besser versteht? Forscher*innen der Goethe-Universität gehen diesen Fragen in den kommenden Jahren gemeinsam mit Partnern anderer Universitäten und wissenschaftlicher Einrichtungen nach. Die Clusterprojekte ENABLE, ELEMENTS und ConTrust werden mit 20,7 Millionen Euro vom Land Hessen und in gleicher Höhe von der Goethe-Universität und den beteiligten Partnern gefördert und ermöglichen die Vorbereitung auf die nächste Exzellenzstrategie von Bund und Ländern.

Dieser Beitrag ist in der Ausgabe 3/2021 (PDF) des UniReport erschienen.