Auf der Suche nach den ältesten Sternen (German Edition)

war noch unklar, woher eigentlich alle anderen Elemente kommen. Zunächst wurde noch angenommen, dass sie nicht in Sternen produziert würden. Aber wo sonst? Die Suche nach einer Antwort begann 1946 mit Fred Hoyle. Er war der Erste, der beschrieb, dass im Prinzip alle Elemente des Periodensystems in Sternen synthetisiert werden könnten. Zudem schlug er vor, dass die neugewonnenen Elemente in Supernovaexplosionen wieder an den interstellaren Raum abgegeben würden, also in den spektakulären Explosionen extrem massereicher Sterne am Ende ihres Lebens. Diese Arbeiten wurden schnell aufgegriffen und weiterentwickelt.
    1948 hatten die Physiker Alpher, Bethe and Gamow in ihrem etwas scherzhaft genannten »αβγ-Artikel« und einem ausführlicheren Bericht von Ralph Alpher vorgeschlagen, dass die schwersten Elemente durch schnellen Neutroneneinfang [2] gebildet werden könnten. Sie nahmen allerdings noch an, dass diese Art der Elementsynthese kurz nach dem Urknall mit Hilfe der Neutronen aus der primordialen Materie vor sich gehe. Bethe hatte ja angenommen, es gebe in Sternen keine signifikante Neutronenquelle. Heute wissen wir, dass die von Alpher, Bethe und Gamow geschilderte Urknallnukleosynthese mit Neutronen so nicht richtig ist. Es zeigte sich allerdings, dass ihre Idee wenigstens für die Synthese der leichtesten Elemente im Urknall, also Wasserstoff, Helium und Lithium, mit den Beobachtungen übereinstimmt.
    Da wir Menschen hauptsächlich aus Kohlenstoff bestehen, machte sich Hoyle weiterhin Gedanken über den kosmischen Ursprung dieses und anderer Elemente. Der Kohlenstoff musste ja irgendwo herkommen. Er war aber nicht der Einzige. Der baltische Astronom Ernst Öpik und der australisch-amerikanische Astrophysiker Edwin Salpeter postulierten 1951 bzw. 1952 unabhängig voneinander eine Dreifach-Fusion von Helium-Kernen, den sogenannten »3α-Prozess«. In einem ersten Schritt sollten zwei Heliumkerne zu einem sehr schnell wieder zerfallenden Berylliumkern fusionieren. Salpeter konnte zeigen, dass die entsprechende Fusionsreaktion zu Beryllium bei sehr hohen Temperaturen etwas schneller verläuft als der anschließende Zerfall, so dass sich am Ende ein Gleichgewicht von einem Berylliumkern auf eine Milliarde Heliumkerne einstellt. In einem zweiten Schritt sollte das Beryllium dann mit einem dritten Heliumkern zu Kohlenstoff fusionieren.
    Hoyle bemängelte 1953 jedoch an diesen Berechnungen, dass bei den typischen Temperaturen im Sterninneren nie und nimmer die beobachtete Menge an Kohlenstoff erzeugt werden könne. Es sei denn, es gäbe im Kohlenstoffkern gerade bei der für die zweite Fusionsreaktion auftretenden Energie eine Resonanz, die diese zweite Reaktion ungemein beschleunigen könnte. 1957 wurde die entsprechende Resonanz in kernphysikalischen Experimenten dann tatsächlich gefunden.
    Dies ist ein eindrückliches Beispiel einer Vorhersage von Eigenschaften eines Atomkerns aus rein astronomischen Beobachtungen und Annahmen. Der schnelle Zerfall des Berylliumkerns ist übrigens auch der Grund, weshalb der 3α-Prozess im Urknall nicht funktionieren konnte. Zu der Zeit, als die Heliumkerne entstanden, war das Universum schon zu weit abgekühlt, so dass die Fusion zu Beryllium bereits deutlich langsamer war als sein Zerfall, sich also kein Beryllium mehr aufbauen konnte.
    Schon vor der Bestätigung der Resonanzlinie hatte Hoyle 1954 ein weiteres fundierteres Konzept zur Synthese der schwereren Elemente vorgestellt. Dort beschrieb er die Fusionsreaktionen in weit entwickelten Sternen, die die Elemente von Kohlenstoff bis hin zu Nickel produzieren würden. Gamow schlug 1957 aber trotzdem noch einmal vor, alle Elemente seien bereits im Urknall in festen Mengenverhältnissen zueinander entstanden. In Sternen werde nur Wasserstoff zu Helium fusioniert. Nach dem Urknall hätte also keinerlei chemische Entwicklung mehr stattgefunden. Dies steht jedoch im krassen Widerspruch zu heutigen Beobachtungen.
    Zur gleichen Zeit wurde eine weitere Arbeit von vier Wissenschaftlern veröffentlicht, die den Ursprungsort der Elemente wieder den Sternen zuschrieben. Margaret Burbidge, Geoffrey Burbidge, William Fowler und Fred Hoyle, die sich inzwischen alle in Kalifornien niedergelassen hatten, betrachteten die Entstehung der Elemente von Beryllium bis Uran. Auch sie stimmten zu, dass Wasserstoff, Helium und Lithium nicht in Sternen, sondern im Urknall entstanden. Das führte schließlich zur Entwicklung der heute noch anerkannten