Vor fast 13,7 Milliarden Jahren bestand das Universum nur aus Wasserstoff, Helium und Spuren von Lithium – Nebenprodukte des Urknalls. Etwa 300 Millionen Jahre später entstanden die ersten Sterne, die im Universum weitere chemische Elemente erschufen. Seitdem haben gigantische stellare Explosionen – Supernovae – Kohlenstoff, Sauerstoff, Eisen und den Rest der 94 natürlich auftretenden Elemente des Periodensystems erzeugt.
Heute enthalten Sterne und planetare Himmelskörper Spuren dieser Elemente, welche sich im Laufe der Zeit aus dem angereicherten Gas dieser Supernovae bildeten. In den vergangenen 50 Jahren haben Wissenschaftler Sterne unterschiedlichen Alters analysiert, um die Entwicklung chemischer Elemente im Universum aufzuzeichnen und die astrophysikalischen Phänomene zu identifizieren, die sie erzeugten.
Jetzt hat ein Team aus Wissenschaftlern von verschiedenen Einrichtungen, darunter dem Massachusetts Institute of Technology (MIT), erstmals das Element Tellur in drei alten Sternen registriert. Die Forscher fanden Spuren dieses spröden, halbleitenden Elements – das auf der Erde sehr selten ist – in Sternen, die annähernd zwölf Milliarden Jahre alt sind. Die Entdeckung unterstützt die Theorie, dass Tellur zusammen mit noch schwereren Elementen des Periodensystems während eines schnellen Kernfusionsprozesses von einem sehr seltenen Supernova-Typ gebildet wird. Die Wissenschaftler haben ihre Ergebnisse online in den Astrophysical Journal Letters veröffentlicht.
“Wir wollen die Entwicklung von Tellur – und jedes anderen Elements – vom Urknall bis heute verstehen”, sagt Anna Frebel, Assistenzprofessorin für Astrophysik am MIT und eine Co-Autorin der Studie. “Hier auf der Erde besteht alles aus Kohlenstoff und verschiedenen anderen Elementen und wir wollen verstehen, wie Tellur auf der Erde entstand.”
Ein seltenes Element im Halo der Milchstraße
Das Team analysierte die chemische Zusammensetzung von drei hellen Sternen, die sich ein paar tausend Lichtjahre entfernt “im Halo der Milchstraße” befinden, sagt Frebel. Die Forscher schauten sich Daten des Spektrografen an Bord des Hubble Space Telescope an, einem Instrument, welches das Licht eines Sterns in ein Wellenlängenspektrum aufspaltet. Wenn ein Element in einem Stern vorkommt, absorbieren die Atome dieses Elements spezifische Wellenlängen des Sternlichts; Wissenschaftler können diese Absorption als dunkle Linien (Helligkeitsabfälle; Anm. d. Red.) in den Daten des Spektrografen beobachten.
Frebel und ihre Kollegen registrierten Helligkeitsabfälle im ultravioletten Bereich des Spektrums bei einer Wellenlänge, die mit der natürlichen Lichtabsorption von Tellur übereinstimmt, was Belege dafür lieferte, dass das auf der Erde seltene Element in der Tat im Weltraum existiert und wahrscheinlich vor mehr als zwölf Milliarden Jahren, als alle drei Sterne entstanden, erzeugt wurde.
Die Wissenschaftler verglichen auch die Häufigkeit von Tellur mit der Häufigkeit von anderen schweren Elementen wie Barium und Strontium und fanden heraus, dass das Verhältnis der Elemente in allen drei Sternen dasselbe war. Frebel sagt, die übereinstimmenden Verhältnisse würden eine Theorie der Synthese chemischer Elemente unterstützen: genauer gesagt, dass ein seltener Supernova-Typ die schwereren Elemente aus der unteren Hälfte des Periodensystems erzeugt haben könnte, Tellur eingeschlossen.
Keine gewöhnliche Supernova
Theoretischen Vorhersagen zufolge könnten sich Elemente schwerer als Eisen als Teil des kollabierenden Kerns einer Supernova gebildet haben, wenn Atomkerne in einem Kernfusionsprozess mit einer großen Anzahl Neutronen kollidieren. Fünfzig Jahre lang haben Astronomen und Kernphysiker diesen schnellen Prozess namens r-Prozess (rapid process) ausgearbeitet, um die kosmische Geschichte der Elemente zu enträtseln.
Frebels Team fand heraus, dass die in den drei Sternen beobachteten Verhältnisse von schweren Elementen mit den Verhältnissen übereinstimmten, die von diesen theoretischen Modellen vorausgesagt wurden. Sie sagt, die Ergebnisse würden die Theorie bestätigen, dass schwerere Elemente wahrscheinlich in einer seltenen, extrem schnellen Supernova entstehen.
“Eisen und Nickel können überall im Universum von jeder gewöhnlichen Supernova erzeugt werden”, sagt Frebel. “Aber diese schweren Elemente scheinen nur in bestimmten Supernovae zu entstehen. Wenn wir weitere Elemente zu den beobachteten Mustern hinzufügen, wird uns das helfen, die astrophysikalischen Bedingungen und Umgebungsvariablen zu verstehen, die für den Ablauf dieses Prozesses gebraucht werden.”
Jennifer Johnson, eine außerordentliche Professorin für Astronomie an der Ohio State University, sagt, dass Tellur ein schwer zu registrierendes Element gewesen sei, weil es Licht im ultravioletten Spektrum absorbiert, was für bodengestützte Teleskope unmöglich zu beobachten ist. Die Ergebnisse des Teams seien ein erster Schritt bei der Identifizierung einiger der am schwersten nachzuweisenden Elemente im Universum, sagt sie.
“Wenn man sich das Periodensystem anschaut, liegt Tellur genau in der Mitte dieser Elemente, die für uns schwer nachzuweisen sind”, sagt Johnson. “Wenn wir verstehen wollen, wie der r-Prozess im Universum arbeitet, müssen wir diesen Teil des Periodensystems unbedingt erfassen. Es ist wirklich toll, dass sie dieses Element inmitten dieses Ozeans der Unbekanntheit gefunden haben.”
Frebel setzt die Suche nach schweren Elementen im Weltraum fort. Selen beispielsweise, das mit Tellur vergleichbar ist, muss im Universum noch nachgewiesen werden. Zinn sei auch ein schwer nachzuweisendes Element – so wie viele Elemente in derselben Reihe des Periodensystems, in der auch Tellur zu finden ist, sagt Frebel.
“Es gibt noch immer ein paar Löcher”, sagt Frebel. “Ab und zu können wir ein Element hinzufügen und es markiert einen weiteren Datensatz, der unsere Arbeit leichter macht.”
Quelle: http://web.mit.edu/newsoffice/2012/heavy-metal-stars-tellurium-0217.html
(THK)
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