Die Analyse von Meteoriten ist entscheidend, um unser Wissen über den Ursprung und die Entwicklung unseres Sonnensystems voranzubringen. Einige Meteoriten enthalten auch Sternenstaub. Diese Körnchen stammen aus einer Zeit vor der Entstehung unseres Sonnensystems und liefern jetzt wichtige Einblicke in die Entstehungsweise der Elemente im Universum.
In Zusammenarbeit mit einem internationalen Team haben Physiker am Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums eine wichtige Entdeckung gemacht, die mit der Analyse präsolarer Körnchen in manchen Meteoriten zusammenhängt. Diese Entdeckung hat Licht auf die Natur der stellaren Explosionen und den Ursprung der chemischen Elemente geworfen. Sie hat auch eine neu Methode zur astronomischen Forschung zur Verfügung gestellt.
„Winzige präsolare Körnchen, etwa einen Mikrometer im Durchmesser, sind die Relikte von stellaren Explosionen in der fernen Vergangenheit, lange bevor unser Sonnensystem existierte“, sagte Dariusz Seweryniak, Experimentalkernphysiker der Phyisics Division am Argonne National Laboratory. Die stellaren Überreste aus diesen Explosionen wurden letztendlich in Meteoroiden gebunden, die auf die Erde stürzten.
Die großen, stellaren Explosionen werden in zwei Kategorien eingeteilt: An einer Nova ist ein Doppelsternsystem beteiligt, in dem ein Hauptreihenstern einen Weißen Zwerg umkreist – einen extrem dichten Stern, der die Größe der Erde haben kann, aber die Masse unserer Sonne. Materie des Hauptreihensterns wird kontinuierlich von dem starken Gravitationsfeld des Weißen Zwergs angezogen. Die abgelagerte Materie zündet alle 1.000-100.000 Jahre in einer thermonuklearen Explosion, und der Weiße Zwerg stößt das Äquivalent von mehr als 30 Erdmassen in den interstellaren Weltraum ab. Bei einer Supernova explodiert ein einzelner kollabierender Stern und stößt den Großteil seiner Masse ab.
Novae und Supernovae sind Quellen der häufigsten und gewaltigsten stellaren Eruptionen in unserer Galaxie, und aus dem Grund sind sie seit Jahrzehnten Gegenstand intensiver astronomischer Untersuchungen. Aus den Explosionen wurde viel gelernt, beispielsweise über den Ursprung der schwereren Elemente.
„Eine neue Möglichkeit zur Untersuchung dieser Phänomene ist die Analyse der chemischen und isotopischen Zusammensetzung von präsolaren Körnchen in Meteoriten“, erklärte Seweryniak. „Von besonderer Bedeutung für unsere Forschung ist eine bestimmte Kernreaktion, die in Novae und Supernovae stattfindet – der Protonenfang eines Chlor-Isotops – was wir im Labor nur indirekt untersuchen können.“
Bei der Durchführung seiner Studie entwickelte das Team einen neuen Ansatz für astrophysikalische Forschungen. Er umfasst die Verwendung des Gamma-Ray Energy Tracking In-beam Array (GRETINA) und des Fragment Mass Analyzer am Argonne Tandem Linac Accelerator System (ATLAS), einer Einrichtung des DOE Office of Science. GRETINA ist ein modernes Detektionssystem, das die Bahnen von Gammastrahlen verfolgen kann, welche bei Kernreaktionen entstehen. Es ist eines von nur zwei Systemen dieser Art auf der Welt.
Mit GRETINA vervollständigte das Team die erste detaillierte Gammastrahlenspektroskopiestudie eines astronomisch bedeutenden Isotopenkerns, Argon-34. Aus den Daten berechneten die Wissenschaftler die Kernreaktionsrate für den Protonenfang eines Chlor-Isotops (Chlor-33).
„Wir konnten die Verhältnisse verschiedener Schwefelisotope berechnen, die in stellaren Explosionen produziert wurden, was Astrophysikern ermöglichen wird zu bestimmen, ob ein bestimmtes präsolares Körnchen von einer Nova oder Supernova stammt“, sagte Seweryniak. Das Team nutzte die gesammelten Daten auch, um ein tieferes Verständnis der Synthese von Elementen in stellaren Explosionen zu bekommen.
Das Team plant seine Forschung mit GRETINA als Teil eines weltweiten Ansatzes fortzusetzen, um die Nukleosynthese der Elemente in stellaren Explosionen umfassend zu verstehen. Die Studie des Teams wurde im Juni 2020 unter dem Titel „Search of Nova Presolar Grains: γ-ray Spectroscopy of 34Ar and Its Relevance for the Astrophysical 33Cl(p, γ) reaction“ in den Physical Review Letters veröffentlicht.
Die anderen Autoren sind A.R.L. Kennington, G. Lotay, D.T. Doherty, C. Andreoiu, K. Auranen, M.P. Carpenter, W.N. Catford, C.M. Deibel, K. Hadynska-Klek, S. Hallam, D. Hoff, T. Huang, R.V.F. Janssens, S. Jazrawi, J. José, F.G. Kondev, T. Lauritsen, J. Li, A.M. Rogers, J. Saiz, G. Savard, S. Stolze, G.L. Wilson und S. Zhu. Zu den mitwirkenden Forschungseinrichtungen gehören die University of Surrey (UK), die University of York (UK), die Simon Fraser University (Kanada), die Louisiana State University (USA), die University of North Carolina (USA), die Duke University (USA), die Universitat Politècnica de Catalunya (Spanien) und das Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (Spanien). Die Studie wurde vom DOE Office of Science unterstützt.
(THK)
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