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(00055) 08.03.1999 14:54

Rote Riesen im RUB-Labor


Bochum, 08.03.1999
Nr. 53

Evolution der Sterne im Labor
Rote Riesen als Ursprung des Lebens
RUB-Wissenschaftler messen Kernfusion


Der heutige Zustand des Alls resultiert aus einer Milliarden Jahre
dauernden Evolution der Sterne. Ausschlaggebend auch für die
Verhältnisse auf der Erde ist vor allem die Entstehung von Sauerstoff
aus Helium und Kohlenstoff in alten Sternen, den "Roten Riesen". Unter
der Leitung von Prof. Dr. Claus Rolfs (Experimentalphysik, Fakultät
für Physik und Astronomie der RUB) bauen Bochumer Astrophysiker eine
neuartige Filteranlage im Dynamitron Tandem Beschleuniger der RUB auf,
um die Wahrscheinlichkeit der Entstehung von Sauerstoff in Sternen zu
vermessen. Das Projekt wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft
(DFG)über einen Zeitraum von 5 Jahren sowie mit einer Investition von
1,2 Millionen DM in den ersten beiden Jahren gefördert. In ähnlichem
Umfang beteiligt sich der Partner der Universität Neapel (Istituto
Nazionale di Fisica Nucleare, INFN).

Auf der Suche nach der kosmischen Erbschaft des Menschen ...

Untersuchungen der letzten sechzig Jahre haben gezeigt, daß der Mensch
mit dem fernen Raum und der fernen Zeit nicht nur durch seine
Phantasie verbunden ist, sondern auch durch eine gemeinsame kosmische
Erbschaft: die chemischen Elemente, aus denen unser Körper besteht.
Diese Elemente wurden in nuklearen Brennprozessen im Zentrum von
längst erloschenen Sternen innerhalb vieler Milliarden Jahre erzeugt.
Wenn ihr Brennmaterial schließlich verbraucht war, starben diese
gigantischen Sterne in kataklysmischen Explosionen, wobei sie die
Atome der schweren Elemente im Raum verstreuten. Dieses verstreute
Material sammelte sich mit der Zeit in Gaswolken, die sich
zusammenzogen und zur Geburt neuer Sterngenerationen führten: ein
Zyklus in der Evolution von Sternen, der auch heute noch stattfindet.

... aus Sternenstaub

In diesem Szenario wurden die Sonne und ihre Planeten vor nahezu fünf
Milliarden Jahren geboren. Durch das Aufsammeln der Asche seiner
stellaren Ahnen lieferte der Planet Erde schließlich die Bedingungen,
die Leben ermöglichten. Jedes Objekt des Sonnensystems und jede
Kreatur beinhalten daher Atome aus fernen Ecken unserer Galaxie. In
gewisser Weise war jeder von uns einmal innerhalb eines Sterns und
besteht buchstäblich aus Sternenstaub. Dies ist der Ursprung des
Eisens in unseren Blutzellen, des Sauerstoffs in der Luft, des
Kohlenstoffs und Stickstoffs in unserem Gewebe und des Kalziums in
unseren Knochen.

Wenn rote Riesen explodieren

Nach der Geburt eines Sterns verbrennt in seinem Zentrum zunächst das
häufigste Element, Wasserstoff, wobei als Asche das Element Helium
(He) entsteht und eine enorme Menge an Energie freigesetzt wird, die
den Stern zum Leuchten bringt. Ist der Wasserstoff im Zentrum
verbraucht, verbrennt der Stern die neue Asche, Helium, wobei die
Elemente Kohlenstoff (C) und Sauerstoff (O) entstehen. In dieser Phase
hat sich der Stern zu einem sogenannten Roten Riesen entwickelt, ein
wahrhaft gigantischer Stern: unsere Sonne wird sich - in etwa fünf
Milliarden Jahren - soweit aufblähen, daß die Erdumlaufbahn sich in
ihrem Innern befindet. In anschließenden Brennphasen entstehen aus der
Asche C und O schließlich alle schwereren Elemente bis zum Uran.

Kernfusion im Labor

Natürlich müssen obige Vorstellungen durch Experimente untermauert
werden. So ist es für die genaue Berechnung der Energieerzeugung und
der Elementsynthese im Sternzentrum unerläßlich, die
Wahrscheinlichkeiten der verschiedenen Fusionsreaktionen im Labor zu
bestimmen. Während aber ein Stern für eine Fusionsreaktion Millionen
Jahre Zeit hat, stehen dem Forscher nur seine Lebensjahre zum
Laborstudium zur Verfügung. Nur durch hohe Experimentierkunst ist es
möglich, diesen enormen Zeitunterschied zu kompensieren. Theoretische
und experimentelle Untersuchungen zeigen, daß die Fusion von
Kohlenstoff und Helium zu Sauerstoff, C+He ®O+g, eine Schlüsselrolle
einnimmt: sie bestimmt nicht nur die Häufigkeit der Elemente C und O
in den Roten Riesen (und letztendlich auch auf der Erde), sie
beeinflußt auch die nachfolgende Herstellung der schwereren Elemente
(von Neon bis Uran), die Details der späteren Brennphasen, die
nachfolgende Evolution eines Sterns, und die Art des Reststerns einer
Supernova-Explosion (d.h. ob Neutronenstern oder Schwarzes Loch).
Deswegen wollen Forscher die Wahrscheinlichkeit dieser Fusionsreaktion
ganz genau kennen.

gamma-Quanten im Sumpf kosmischer Strahlung erkennen

Trotz enormer experimenteller Anstrengungen der letzten zwanzig Jahre
ist man von diesem Ziel noch weit entfernt. Nahezu alle bisherigen
Experimente versuchten die charakteristische elektromagnetische
Strahlung (gamma-Quant) nachzuweisen, die bei der Fusion C+He -O+g
vom neu entstandenen Sauerstoff emittiert wird. Allerdings können die
hierzu notwendigen Detektoren nur jedes zehntausendste  g-Quant
registrieren, wobei sie jedes einzelne Quant auch noch in einem Sumpf
natürlicher kosmischer Strahlung erkennen müssen. Dies ist
schwieriger als z.B. der Versuch, das Singen eines Vogels in einem
Fußballstadion genau zum Zeitpunkt eines Tores für die
Heim-Mannschaft zu erkennen.

Billardspiel mit Sauerstoffkernen

Im Experiment kann man obige Fusion auslösen, indem man einen
C-Ionenstrahl in ein He-Gastarget schickt. Die fusionierten O-Kerne
bewegen sich analog zu einem Billiardspiel in gleicher Richtung wie
der einfallende Ionenstrahl: Wenn eine bewegte Kugel auf eine ruhende
Kugel trifft, dann wird sich - bei Verklebung/Fusion beider Kugeln -
die verschmolzene Kugel (analog dem aus C und He fusionierten
O-Restkern) in Richtung der ursprünglichen Kugel bewegen. Installiert
man daher einen entsprechenden Detektor hinter dem He-Gastarget auf
der Ionenstrahlachse, so könnte man im Prinzip jeden erzeugten
O-Restkern direkt registrieren und somit den Nachweis der C+He Fusion
um einen Faktor 10.000 verbessern (gegenüber dem Nachweis der
g-Quanten).

Neue Filter gegen "das Haar in der Suppe"

Das "Haar in der Suppe" liegt darin, daß sich in Strahlrichtung auch
der einfallende C-Ionenstrahl befindet, der um mindestens einen Faktor
1.000.000.000.000.000 intensiver ist als die O-Restkerne. Zur Trennung
der C-Ionen von den O-Restkernen benötigt man daher einen äußerst
empfindlichen Filter. Ermutigende Resultate lieferten hierzu
Vorversuche, die mit einem kleinen Filter am Beschleuniger in Neapel
durchgeführt wurden. Der große neuartige Filter am 4 Megavolt
Dynamitron Tandem Beschleuniger in Bochum basiert auf diesen
Erfahrungen. Die Anlage hat eine Länge von etwa 20 Metern und
beinhaltet sechs Filterele-mente (vier Geschwindigkeitsfilter und zwei
Impulsfilter), ein fensterloses Ultraschall-Jet-Gastarget hoher Dichte
und einen Element-Identifikations-Detektor. Der Beschleuniger in
Bochum stellt den weltweit intensivsten C-Ionenstrahl zur Verfügung.
Zusammen mit dem effizienten und empfindlichen Filter (Name: ERNA =
European Recoil separator for Nuclear Astrophysics) gibt er daher
Grund zu der Hoffnung, daß ein Schlüsselproblem der Astrophysik in ein
paar Jahren gelöst werden kann und wir endlich genauer wissen, wie
Kohlenstoff und Sauerstoff unseres Körpers in den Roten Riesen
hergestellt wurden.

Weitere Informationen

Prof. Dr. C. Rolfs, Fakultät für Physik und Astronomie,
Universitätsstr. 150, 44780 Bochum, Tel. 0234/700-3598, Fax.
0234/709-4172, claus.rolfs@ruhr-uni-bochum.de




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Mit freundlichen Gruessen

Dr. Josef Koenig
RUB - Ruhr-Universitaet Bochum
- Pressestelle -
44780 Bochum
Tel: + 49 234 700-2830, -3930
Fax: + 49 234 7094-136
Josef.Koenig@ruhr-uni-bochum.de

Schauen Sie doch bei uns mal rein:
http://www.rz.ruhr-uni-bochum.de/pressestelle

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