Schwarzes Loch als „Goldfabrik“ – Die Akkretionsscheibe um ein Schwarzes Loch kann schwere Elemente produzieren

Schmieden kosmischer Elemente: Stellare Schwarze Löcher sind möglicherweise seit langem als Ort der Bildung von Gold und anderen schweren Elementen gesucht worden. Wie Modellsimulationen nahelegen, enthält die Akkretionsscheibe um diese Löcher genügend hochenergetische freie Neutronen, um diese Elemente durch schnellen Neutroneneinfang zu erzeugen. Kandidaten für eine solche Goldfabrik im Universum sind daher nicht nur Schwarze Löcher durch Kollisionen mit Neutronensternen, sondern auch Schwarze Löcher durch Hypernovae.

Fast alle Elemente des Periodensystems tauchten erst weit nach dem Urknall auf, bis der erste Stern im Universum entstand. Erst durch die interne Fusion verschmolzen Wasserstoff und Helium zu immer größeren Atomen, darunter auch Eisen. Andererseits ist für schwerere Elemente ein Neutroneneinfangprozess erforderlich. Freie Neutronen müssen mit Atomen kollidieren und können in Protonen umgewandelt werden, um neue Elemente zu bilden.

Wenn ein Neutronenstern kollidiert, produziert er schwere Elemente, wie die Spektraldaten zeigen. © University of Warwick / Mark Garlick / CC-by-sa 4.0

Wo sind die restlichen Elementfabriken?

Für Gold, Platin, Uran und andere besonders schwere Elemente reicht der normale langsame Neutroneneinfang nicht aus. Sie können nur auftreten, wenn freie Neutronen eine bestimmte Mindestenergie haben – vor allem, weil sie bei der Kollision von Neutronensternen emittiert werden. 2017 gelang es Astronomen erstmals, die ersten Spuren von Gold und Kollaboration nachzuweisen. In einem solchen Konflikt und im Jahr 2019 wurde dies durch eine genauere Analyse bestätigt.

Die Kollisionen von Neutronensternen im Universum sind jedoch zu gering, um die Gesamtmenge der schweren Elemente im Universum zu erklären. Gold kommt beispielsweise in unserer Galaxie fünfmal häufiger vor als mit dieser Bildungsmethode allein, wie Forscher im Jahr 2020 berechneten. Daher vermuteten sie, dass die sehr energiereichen Hypernovae zerfallender Neutronensterne und die dabei entstehenden Schwarzen Löcher auch einen schnellen Neutroneneinfang ermöglichen würden.

Sichtbares Schwarzes Loch

Oliver und seine Kollegen vom GSI Helmholtz-Zentrum im Darmstädter Schwerioneninstitut haben entschieden, welche Schwarzen Löcher als Elementarfabriken genutzt werden können und wie ihre Akkretionsscheiben gestaltet sein müssen. „In unserer Studie haben wir mit komplexen Computersimulationen die Umwandlungsraten von Neutronen und Protonen in vielen Scheibenkonfigurationen systematisch untersucht“, erklärt Just.

Ergebnis: Tatsächlich hat die Akkretionsscheibe eines bestimmten Schwarzen Lochs gute Bedingungen, um die schwersten Elemente durch schnellen Neutroneneinfang zu bilden. Wie Forscher berichtet haben, haben einige von ihnen schnell genug schnelle Neutronen, die mit Atomen kollidieren können, um neue Elemente zu bilden.

Die Masse der Scheibe ist sehr wichtig

Es gibt jedoch einige Einschränkungen. „Entscheidend ist die Gesamtmasse der Scheibe. Je schwerer die Scheibe, desto mehr Neutronen werden aus den Protonen gebildet, indem Elektronen eingefangen und Neutrinos emittiert werden, also schwere Elemente mit dem r-Verfahren. „Erklärt nur. Wenn die Disc jedoch zu schwer wird, sieht dies so aus: Es kehrt sich um und mehr Neutronen werden in Protonen umgewandelt. In diesem Fall reicht die Versorgung für den Neutroneneinfang nicht aus. Das Team fand heraus, dass die optimale Scheibenmasse für Elementfabriken etwa 0,01 bis 0,1 Sonnenmasse beträgt.

Dies bestätigt, dass die Schwarzen Löcher, die nach einer Neutronenstern-Kollision entstehen, tatsächlich eine gute „Fabrik“ für Gold, Platin und so weiter sein können. Denn viele von ihnen haben laut Just und seinen Kollegen Akkretionsscheiben in diesem Massenbereich. Theoretisch ist aber auch ein Schwarzes Loch aus einer Hypernova möglich – eine Explosion eines Sterns, der zunächst zu einem Neutronenstern wird und dann aufgrund des weiteren Materieeinstroms in das Schwarze Loch kollabiert. Allerdings muss, wie Forscher berichten, der Materialzufluss relativ hoch sein.

Viele Fragen wurden noch nicht beantwortet

Daher können Schwarze Löcher und ihre Akkretionsscheiben Orte im Universum sein, an denen die schwersten Elemente weiter wachsen. Die Modellierung von Just und seinem Team half dabei, zumindest einige der Merkmale und Anforderungen einer solchen Elementfabrik zu beleuchten. Die Suche nach einem Ort für den Einfang schneller Neutronen steckt jedoch, wie Forscher betont haben, noch in den Kinderschuhen und es gibt noch viele offene Fragen. (Monatliche Mitteilung der Royal Astronomical Society, 2021; doi: 10.1093 / mnras / stab2861)

Quelle: GSI Helmholtz-Zentrum, GSI Helmholtz-Institut

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