Nukleosynthese
Jedes Atom in deinem Körper wurde entweder im Urknall oder im Inneren eines Sterns geschmiedet — deine kosmische Herkunft ist im Periodensystem eingeschrieben.
Urknall-Nukleosynthese
Etwa drei Minuten nach dem Urknall war das Universum kühl genug, damit Protonen und Neutronen zu ersten Atomkernen verschmelzen konnten. In einem Zeitfenster von nur rund zwanzig Minuten entstanden dabei fast ausschließlich Wasserstoff und Helium — dazu Spuren von Lithium. Danach hatte sich das Universum bereits so weit ausgedehnt und abgekühlt, dass die Kernfusion zum Erliegen kam.
Warum ging es nicht weiter? Es gibt keine stabilen Atomkerne mit Massenzahl 5 oder 8 — jeder Versuch, ⁴He mit einem weiteren Proton oder Neutron oder mit einem zweiten ⁴He zu verschmelzen, führt sofort wieder zum Zerfall. Ohne diese Zwischenstufen und ohne die um Größenordnungen höheren Dichten und Zeiträume im Inneren von Sternen blieb dem frühen Universum der Weg zu schwereren Elementen versperrt.
Fusion im Inneren von Sternen
Alles, was schwerer als Lithium ist, entsteht erst in Sternen. Im Kern eines Sterns verschmelzen unter enormem Druck und bei Temperaturen von Millionen Kelvin zunächst vier Wasserstoffkerne zu einem Heliumkern — der Prozess, der die Sonne seit 4,6 Milliarden Jahren zum Leuchten bringt. Ist der Wasserstoffvorrat im Kern erschöpft, zieht sich der Stern zusammen, heizt sich weiter auf und zündet die nächste Fusionsstufe.
Im sogenannten Drei-Alpha-Prozess verschmelzen drei Helium-4-Kerne zu Kohlenstoff-12 — ein bemerkenswert unwahrscheinlicher Zwischenschritt, der nur funktioniert, weil Kohlenstoff zufällig einen passenden angeregten Energiezustand besitzt. Massereiche Sterne zünden danach weitere Fusionsstufen bis hin zu Silizium und schließlich in den Bereich von Eisen-56 und Nickel-62 — dort erreicht die Bindungsenergiekurve ihr Maximum (exakt bei Nickel-62, hauchdünn vor dem weitaus häufigeren Eisen-56) und Fusion setzt keine Energie mehr frei.
Mit jeder Fusionsstufe steigt die nötige Temperatur, die Brenndauer verkürzt sich drastisch — die letzte Stufe vor dem Eisenkern dauert bei einem massereichen Stern oft nur noch Stunden.
Jenseits von Eisen: Neutroneneinfang
Da Fusion ab Eisen Energie kosten würde statt sie freizusetzen, entstehen alle schwereren Elemente — von Kobalt bis Uran — auf einem anderen Weg: durch Einfang freier Neutronen, die selbst keine elektrostatische Abstoßung überwinden müssen. Nach jedem Einfang kann ein instabiler Kern per β⁻-Zerfall ein Neutron in ein Proton umwandeln und so zum nächsten Element aufsteigen. Je nachdem, wie schnell die Neutronen einschlagen, unterscheidet man zwei grundverschiedene Prozesse.
Als LIGO/Virgo am 17. August 2017 die Gravitationswellen einer Neutronensternkollision maßen, beobachteten Teleskope weltweit gleichzeitig einen charakteristischen Lichtausbruch — eine Kilonova. Ihr Farbverlauf entsprach exakt den Vorhersagen für frisch synthetisiertes r-Prozess-Material: der erste direkte Beleg, dass Neutronensternkollisionen tatsächlich Gold und andere schwere Elemente ins All schleudern.
Die kosmische Herkunft der Elemente
Fasst man alle Entstehungswege zusammen, lässt sich für praktisch jedes Element im Periodensystem sein kosmischer Ursprungsort bestimmen — ein Ergebnis jahrzehntelanger Astrophysik, das sich anschaulich als Herkunftskarte darstellen lässt.