PR 2722 – Altin Magara

H., Komatsu, E., Shandera, S. (Hrsg.): Testing the Gaussianity and Statistical Isotropy of the Universe. Advances in Astronomy Nr. 592094 (2010); arXiv:1008.3051

Kosmisches Kopfzerbrechen
    Seit 20 Jahren macht die Häufigkeit von Lithium Probleme für die Urknall-Theorie.
    Nun haben Astrophysiker die Rätsel um das seltene Element gelöst.
    Von Rüdiger Vaas
     
    Nach Wasserstoff und Helium ist es das drittleichteste Element im Periodensystem der Elemente: Lithium. Es wird gegen Depressionen verschrieben und kann sie sehr erfolgreich lindern. Aber es bereitet zuweilen auch selbst schwere geistige Probleme – zumindest für Astrophysiker. Denn es hat ihre Lieblingstheorie in Schwierigkeiten gestürzt.
    In geringen Spuren ist Lithium bereits innerhalb der ersten zehn Minuten des Urknalls entstanden – wie auch die verschiedenen Isotope (Atomsorten) von Wasserstoff und Helium. Tatsächlich stimmen die mit unterschiedlichen Methoden gemessenen Häufigkeiten dieser Elemente im All sehr gut mit den theoretischen Modellen und Vorhersagen der Kosmologen überein. Das ist eine der wichtigsten und stärksten Stützen der Theorie vom Urknall.
    Doch die Lithium-Häufigkeiten passen nicht so gut ins Bild. Sie bereiten den Wissenschaftlern seit zwei Jahrzehnten Kopfzerbrechen.
     
     
    Zu wenig und zu viel
     
    Da ist zum einen Lithium-7. Diese Atomkerne bestehen aus drei Protonen und vier Neutronen. Spektralmessungen ihrer Häufigkeit in Sternatmosphären liegen um den Faktor 3 bis 5 unterhalb der Voraussage der Theorie der Urknall-Nukleosynthese.
    Doch es gibt einen Ausweg: Mehrere Studien – unter anderem von dem Astrophysiker Jorge Meléndez von der Universität São Paulo und seinen Kollegen – haben in den letzten Jahren ergeben, dass ein Teil von Lithium-7 im Lauf der Jahrmilliarden wohl ins Sterninnere absinkt. Denn das Element ist etwas schwerer als Wasserstoff und Helium. »Das letzte Wort dazu ist noch nicht gesprochen, aber wahrscheinlich erklärt dieser Mechanismus das fehlende Lithium-7«, schreiben Meléndez und sein Team.
    Zum anderen gibt es noch Lithium-6, zusammengesetzt aus je drei Protonen und Neutronen. Es stellt die Wissenschaftler vor das umgekehrte Problem: Im Gegensatz zu Lithium-7 scheint es zu häufig im All zu sein. Zumindest haben mehrere Astronomen-Teams seit 1993 angebliche Nachweise dieses Isotops in den Atmosphären alter Sterne, die arm an schwereren Elementen sind, veröffentlicht. Wenn dies richtig ist, müsste es von den fragilen Atomkernen 200-mal so viel im Universum geben, als es sich mit der Standardtheorie vom Urknall vereinbaren lässt. Dabei sollte Lithium-6 viel seltener als Lithium-7 im Urknall erzeugt worden sein: um einen Faktor von etwa 50.000 weniger. Und damit wäre es heute gar nicht mehr nachweisbar.

    Die erste Viertelstunde: Die leichten Elemente, insbesondere Wasserstoff und Helium, machen rund 99 Prozent der gewöhnlichen Materie des Alls aus. Sie sind in den ersten 15 Minuten unseres Universums entstanden. Die Kernreaktionen, die dieser sogenannten Urknall-Nukleosynthese zugrunde liegen, kennen Kernphysiker bestens. Ihre theoretischen Voraussagen stimmen exzellent mit den astrophysikalischen Messungen überein. Die Grafik zeigt die Häufigkeit der einzelnen Atomkerne, die sich mit der Zeit verändert und durch den Temperaturabfall stabilisiert hat, sowie der ungebundenen Neutronen, die rasch zerfallen sind. [R. Vaas: Hawkings Kosmos]
    Falls die Detektion trotzdem gelänge – oder gar erfolgt ist, wie manche Messungen zu suggerieren scheinen –, dann hätte dies drastische Konsequenzen. Entweder müsste das Standardmodell vom frühen Universum revidiert werden, oder es gäbe zusätzliche Quellen von Lithium-6. Beispielsweise könnte es bei gewaltigen Stoßvorgängen während der Bildung von Galaxienhaufen produziert worden sein oder durch die Wechselwirkung Kosmischer Strahlung mit den ersten Sternen. Nichts davon passt allerdings gut zu den etablierten kosmologischen Vorstellungen.
     
     
    Rechenpower und Hightech
     
    Wahrscheinlich ist der Lithium-6-Überschuss jedoch gar nicht echt. Das ergab eine kürzlich bei der Zeitschrift Astronomy & Astrophysics publizierten Studie von Karin Lind. Die Wissenschaftlerin vom Max-Planck-Institut für Astrophysik in Garching bei München hat zusammen mit vier Kollegen mit dem 10-Meter-Teleskop des Keck-Observatoriums auf dem Mauna Kea, Hawaii, nachgemessen. Außerdem setzten die Forscher weitaus komplexere Verfahren zur