Gesundheit: Astronomie: Brodelnde Sternenküche

Es ist schon fast ein Kochduell - nur dass die Kochtöpfe größer, die Platten heißer und die Einkaufskörbe nicht gerade abwechslungsreich gefüllt sind. Und dass das Ziel ein ungleich Wichtigeres ist, als nur ein schmackhaftes Abendessen zu servieren. Beim stellaren Wettkochen geht es um Leben oder nicht Leben, um das Aussehen unseres Universums und um die Frage: Wie entstand die Welt? Der Beginn des großen Kochens liegt allerdings schon eine Weile zurück - etwa fünf Milliarden Jahre, als sich die Sterne aus dem Nebel bildeten, der das All erfüllte. Diese Sterne waren die ersten Kochtöpfe und der Nebel der Inhalt des Einkaufskorbs. Er bestand aus nichts anderem als aus Wasserstoff, dem leichtesten aller Elemente und Überbleibsel des Urknalls.

Daraus jetzt eine Welt zu kochen, wie wir sie heute sehen, war und ist die Aufgabe, die die Natur als stellarer Chefkoch zu bewerkstelligen hatte. Mit komplizierten Rezepturen, über lange Ketten von Kernreaktionen verschmelzen in den Sternen - in der Hauptsache in den "roten Riesen" - die leichten Elemente zu immer schwereren. Aus Wasserstoff wird Helium, und schließlich entstehen die schwereren Elemente wie Kohlenstoff, Sauerstoff und Eisen, ohne die ein Leben auf der Erde nicht möglich wäre.

Temperaturen von 200 Millionen Grad und eine Masse vom 15- bis 20-fachen unserer Sonne machen diese roten Riesen zu überdimensionalen Dampfkochtöpfen von einer Größe, die in unserem Planetensystem bis zur Jupiterbahn reichen würde. Eine Forschergruppe vom Institut für Strahlenphysik an der Uni Stuttgart hat die zwei wichtigsten Reaktionen in diesen Sternen mit irdischen Mitteln nachgekocht und die Ergebnisse in den "Physical Review Letters" veröffentlicht.

Bausteine der Elemente

"Es handelt sich dabei um eine Reaktion mit Kohlenstoff und mit Neon", sagt Wolfgang Hammer, der an beiden Projekten beteiligt war. Die Bedeutung dieser Reaktionen liegt darin, dass sie die Ausgangsstoffe für die Entstehung noch schwererer Bausteine liefern. Die Kohlenstoffreaktion bestimmt im Endeffekt die Häufigkeit der Elemente Sauerstoff und Kohlenstoff im gesamten Universum, die Reaktion mit dem Edelgas Neon erzeugt Neutronen - also ungeladene Grundbausteine von Atomkernen -, die vor allem zum Bau sehr schwerer Elemente wie Uran oder Blei gebraucht werden.

Die Technik, der Natur in den Kochtopf zu spähen, ist extrem aufwändig. Um die Sternenküche zu simulieren, haben die Stuttgarter Forscher mit einem großen Teilchenbeschleuniger einen Strahl Alphateilchen, also radioaktive Strahlen, auf ein Ziel aus Neon oder Kohlenstoff geschossen. Gemessen haben sie dann die Abfallprodukte der Kernreaktionen: Gammastrahlen und die so wichtigen Neutronen. Doch der Nachweis dieser Strahlung ist schwierig. Der Grund: Die Rezepte, die die Natur verwendet, haben eine extrem lange Kochzeit - die Physiker sprechen von einem kleinen Wirkungsquerschnitt der Kernreaktionen.

Die Kochzeit beachten

Für das Universum ist dieser jedoch lebenswichtig. Wäre die Kochzeit kürzer, dann hätte das Universum gar keine Zeit gehabt zu entstehen, beziehungsweise die Sterne hätten längst ausgekocht. Im All und auch auf der Erde wäre so nie Leben möglich gewesen.

Versucht man die Rezepturen jedoch in irdischen Zeitskalen zu messen, so bekommt man nur verschwindend kleine Signale, die es dann auch noch von einer großen Menge an Störsignalen zu trennen gilt. "Das ist schwieriger, als der Versuch, das Singen eines Vogels im Fußballstadion zu hören, wenn die Heimmannschaft ein Tor schießt", vergleicht Claus Rolfs, der an der Uni Bochum ebenfalls auf diesem Gebiet forscht, das Problem, an dem seit den siebziger Jahren international gearbeitet wird.

Der Erfolg der Stuttgarter Gruppe um Markus Jaeger und Ralf Kunz rührt nun von einer sehr sorgfältigen Messung, Tausenden von Stunden Messzeit und einer eigens entwickelten hochgenauen Messelektronik her, die von den Forschern liebevoll Rhinoceros getauft wurde. Wie beim gleichnamigen Tier die Hörner, recken sich dort die Detektoren und Zähler aus Germanium und Wismut silberfarben aus einem Rumpf, durch den der beschleunigte Teilchenstrahl auf dem Weg zur Kollision rast.

Mit ihren Messungen haben die Wissenschaftler einen Weltrekord in der Empfindlichkeit aufgestellt. Sie erlauben es, die Genauigkeit der Reaktionsraten - also sozusagen die Kenntnis der Zutatenmengen bei den Kernfusionen - drastisch zu erhöhen. So konnten sie die Reaktionsrate bei der Kohlenstoffreaktion völlig neu bestimmen und die Fehlergrenze bei der Reaktion mit Neon um einen Faktor 100 verringern.

Mit Hilfe der neuen Ergebnisse können jetzt die Theoretiker den Staffelstab, oder besser: den Kochlöffel übernehmen. Werden ihre Berechnungen über die Sternentstehung mit den neuen Daten gefüttert, so lassen sich zuverlässige Zahlen über die Elementverteilung im gesamten Universum und die Produktion von neuen Elementen in den Sternen gewinnen. Ein weiterer Blick in das Rezeptbuch der Natur, der es erlaubt, den Aufbau des Weltalls besser zu verstehen.

Tobias Beck