Nach dem Urknall enthielt das frühe Universum Wasserstoff, Helium und eine Spur Lithium. Später wurden einige schwerere Elemente, darunter Eisen, in den Sternen geschmiedet. Doch eines der größten Rätsel der Astrophysik ist, wie die ersten Elemente, die schwerer als Eisen sind, beispielsweise Gold, entstanden und im Universum verteilt wurden.
„Dies ist eine ziemlich grundlegende Frage im Hinblick auf den Ursprung komplexer Materie im Universum“, sagte Anirudh Patel, Doktorand an der Columbia University in New York. „Es ist ein lustiges Rätsel, das nicht wirklich gelöst ist.“
Patel leitete eine Studie mit 20 Jahre alten Archivdaten von NASA- und ESA-Teleskopen, die Hinweise auf eine überraschende Quelle großer Mengen dieser schweren Elemente findet: Flares von stark magnetisierten Neutronensternen, sogenannten Magnetaren. Die Studie wurde in The Astrophysical Journal Letters veröffentlicht.
Die Autoren der Studie errechneten, dass Ausbrüche von riesigen Magnetaren bis zu 10 % der Gesamtmenge an Elementen schwerer als Eisen in der Galaxie ausmachen könnten. Da Magnetare schon relativ früh in der Geschichte des Universums existierten, könnte das erste Gold auf diese Weise entstanden sein.
„Dies ist eine Antwort auf eine der Fragen des Jahrhunderts und eine Lösung für ein Rätsel mithilfe von Archivdaten, die fast in Vergessenheit geraten waren“, sagte Eric Burns, Co-Autor der Studie und Astrophysiker an der Louisiana State University in Baton Rouge, laut einer Pressemitteilung der NASA.
Ein Bruch in der Kruste eines stark magnetisierten Neutronensterns, hier in einer künstlerischen Darstellung gezeigt, könnte hochenergetische Eruptionen auslösen. Goddard Space Flight Center, NASA/C. Wissinger
Neutronensterne sind die kollabierten Kerne explodierter Sterne. Sie sind so dicht, dass ein einziger Teelöffel Neutronensternmaterial auf der Erde eine Milliarde Tonnen wiegen würde. Ein Magnetar ist ein Neutronenstern mit einem extrem starken Magnetfeld.
In seltenen Fällen senden Magnetare große Mengen hochenergetischer Strahlung aus, wenn sie „Sternbeben“ ausgesetzt sind, die wie Erdbeben die Kruste des Neutronensterns aufbrechen. Sternbeben können auch mit starken Strahlungsausbrüchen, sogenannten riesigen Magnetarflares, einhergehen, die sogar die Erdatmosphäre beeinträchtigen können. In der Milchstraße und der nahegelegenen Großen Magellanschen Wolke wurden bisher nur drei riesige Magnetar-Flares beobachtet, darüber hinaus sieben.
Patel und seine Kollegen, darunter sein Betreuer Brian Metzger, Professor an der Columbia University und Senior Fellow am Flatiron Institute in New York, fragten sich, wie die Strahlung riesiger Flares mit den dort entstehenden schweren Elementen zusammenhängen könnte. Dies könnte durch einen „schnellen Prozess“ geschehen, bei dem Neutronen leichtere Atomkerne in schwerere umwandeln.
Protonen bestimmen die Identität eines Elements im Periodensystem: Wasserstoff hat ein Proton, Helium hat zwei, Lithium hat drei und so weiter. Atome haben auch Neutronen, die die Identität nicht beeinflussen, aber Masse hinzufügen. Manchmal kommt es vor, dass ein Atom, wenn es ein zusätzliches Neutron einfängt, instabil wird und es zu einem Kernzerfall kommt, bei dem das Neutron in ein Proton umgewandelt wird, wodurch das Atom im Periodensystem nach vorne wandert. So kann beispielsweise ein Goldatom ein zusätzliches Neutron aufnehmen und sich dann in Quecksilber verwandeln.
In der einzigartigen Umgebung eines kollabierten Neutronensterns, wo die Neutronendichte extrem hoch ist, geschieht etwas noch Seltsameres: Einzelne Atome können schnell so viele Neutronen einfangen, dass sie mehrere Zerfälle durchlaufen, was zur Bildung eines viel schwereren Elements wie Uran führt.
Diese künstlerische Darstellung zeigt einen Magnetar – eine Art Neutronenstern mit einem starken Magnetfeld – der Material in den Weltraum abgibt. Die als dünne grüne Linien dargestellten magnetischen Feldlinien beeinflussen die Bewegung geladenen Materials um den Magnetar. NASA/JPL-Caltech
Als Astronomen im Jahr 2017 die Kollision zweier Neutronensterne mithilfe von Teleskopen der NASA und dem Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) sowie zahlreichen Teleskopen auf der Erde und im Weltraum, die die ursprüngliche Entdeckung überwachten, beobachteten, bestätigten sie, dass bei dem Ereignis Gold, Platin und andere schwere Elemente entstanden sein könnten. Allerdings ereignen sich Neutronensternverschmelzungen zu spät in der Geschichte des Universums, um die Entstehung von Gold und anderen schweren Elementen zu erklären. Jüngste Forschungen der Koautoren der neuen Studie, Jakub Cechula von der Karls-Universität in Prag, Todd Thompson von der Ohio State University und Metzger, haben gezeigt, dass Magnetar-Ausbrüche Material aus der Kruste des Neutronensterns erhitzen und mit hoher Geschwindigkeit ausstoßen können, was sie zu einer potenziellen Quelle von
Zunächst dachten Metzger und seine Kollegen, dass die Signatur der Entstehung und Verteilung schwerer Elemente im Magnetar im sichtbaren und ultravioletten Licht sichtbar sein würde, und veröffentlichten ihre Vorhersagen. Doch Burns in Louisiana fragte sich, ob es vielleicht ein Gammastrahlensignal geben könnte, das hell genug ist, um erkannt zu werden. Er bat Metzger und Patel, dies zu überprüfen, und sie stellten fest, dass eine solche Signatur existieren könnte.
„Irgendwann haben wir gesagt: ‚Okay, wir sollten die Beobachter fragen, ob sie etwas gesehen haben‘“, sagte Metzger.
Burns untersuchte die Gammastrahlendaten des letzten riesigen Flares, der sich im Dezember 2004 ereignet hatte. Er erkannte, dass die Wissenschaftler zwar den Beginn des Flares erklärt hatten, sie aber auch ein kleineres Signal des Magnetars in Daten des International Gamma-Ray Astrophysics Laboratory (INTEGRAL) der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) identifiziert hatten, einer kürzlich abgebrochenen Mission unter Beteiligung der NASA. „Es wurde damals bemerkt, aber niemand hatte eine Ahnung, was es sein könnte“, sagte Burns.
Metzger erinnert sich, dass Burns dachte, er und Patel würden ihm „einen Streich spielen“, weil die Vorhersage des Modells ihres Teams so genau mit dem mysteriösen Signal in den Daten von 2004 übereinstimmte. Mit anderen Worten: Das vor mehr als 20 Jahren entdeckte Gammastrahlensignal stimmte mit dem überein, wie es aussehen sollte, wenn schwere Elemente erzeugt und dann in einem riesigen Magnetarausbruch verteilt werden.
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Patel war so aufgeregt, dass er „in den nächsten ein oder zwei Wochen an nichts anderes denken konnte.“ „Das war alles, woran ich denken konnte“, sagte er.
Die Forscher untermauerten ihre Schlussfolgerung mit Daten von zwei Heliophysik-Missionen der NASA: dem außer Dienst gestellten RHESSI (Reuven Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager) und dem aktuellen Wind-Satelliten der NASA, der ebenfalls den riesigen Magnetar-Flare beobachtete. Zu den weiteren Co-Autoren der neuen Studie gehörte Jared Goldberg vom Flatiron Institute.
Die bevorstehende COSI-Mission (Compton Spectrometer and Imager) der NASA könnte diese Studien fortsetzen. Der Start des COSI Wide Field Gamma-ray Telescope ist für 2027 geplant und soll energetische Phänomene im Weltraum wie Ausbrüche riesiger Magnetare untersuchen. COSI wird in der Lage sein, einzelne Elemente zu identifizieren, die während dieser Ereignisse entstanden sind, und so einen neuen Schritt zum Verständnis der Herkunft der Elemente ermöglichen. Es ist eines von vielen Teleskopen, die zusammenarbeiten können, um nach „vorübergehenden“ Veränderungen im Universum zu suchen.
Die Forscher werden auch andere Archivdaten untersuchen, um herauszufinden, ob in den Beobachtungen anderer Ausbrüche riesiger Magnetare irgendwelche Geheimnisse verborgen sind.
„Es ist wirklich cool, darüber nachzudenken, wie einige der Dinge auf meinem Telefon oder Laptop bei dieser extremen Explosion in der Geschichte unserer Galaxie entstanden sind“, sagte Patel.
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