Messungen unter Urknall-Bedingungen

Bestätigung des „Lithium-Problems“

Die Astrophysik hat ein hartnäckiges Problem und das heißt Lithium: Das Element kommt nicht in den Mengen in Sternen vor, die rechnerisch für die Lithium-Entstehung nach dem Big Bang vorhergesagt werden. Doch die Berechnungen stimmen - das konnte jetzt erstmals auch experimentell im Untertagelabor im italienischen Gran-Sasso-Bergmassiv bestätigt werden.

Michael Anders neben dem LUNA-Beschleuniger. (Bild: M. Anders)

Forscher des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) untersuchten dort in einem internationalen Team, wieviel Lithium unter Urknall-Bedingungen entsteht. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.

Lithium ist neben Wasserstoff und Helium eines der drei Elemente, die nicht erst innerhalb von Sternen erzeugt werden. Stattdessen - so die Theorie - sind sie schon früh durch die "primordiale Nukleosynthese" entstanden. Das heißt: Im nur wenige Minuten alten Universum haben sich Neutronen und Protonen zu den Kernen der ersten drei Elemente verbunden.

Am Laboratory for Underground Nuclear Astrophysics (LUNA) wurde die Kernentstehung von Lithium nun von einem internationalen Forscherteam nachgestellt. Eine führende Rolle im Team nahm Michael Anders ein, der im vergangenen Jahr an der TU Dresden und am HZDR zu dem Thema promoviert hat. Im Rahmen eines von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Projekts wurde er dabei von Dr. Daniel Bemmerer, Gruppenleiter am HZDR, betreut.

Anzeige

In dem italienischen Untertagelabor feuerten die Wissenschaftler Heliumkerne auf schweren Wasserstoff (Deuterium), um Energien wie kurz nach dem Urknall zu erreichen. So sollte gemessen werden, wieviel Lithium unter Bedingungen entsteht, die denen im Frühstadium des Universums ähneln. Das Ergebnis des Experiments: Die Daten bestätigten die theoretischen Vorhersagen, die mit den beobachteten Lithium-Konzentrationen im Universum nicht vereinbar sind.

"Zum ersten Mal überhaupt konnte mit unserem Experiment die Lithium-6-Produktion in einem Teil des Urknall-Energiebereichs untersucht werden", erklärt Daniel Bemmerer. Lithium-6 (3 Neutronen, 3 Protonen) ist eines der beiden stabilen Isotope des Elements. Die Entstehung von Lithium-7, welches über ein zusätzliches Neutron verfügt, wurde bereits 2006 von Bemmerer am LUNA untersucht.

Mit den neuen Ergebnissen bleibt das Lithium-Problem eine harte Nuss: Einerseits sprechen nun alle Laborergebnisse der Astrophysiker dafür, dass die Theorie der primordialen Nukleosynthese korrekt ist. Andererseits zeigen viele Beobachtungen von Astronomen, dass die ältesten Sterne in unserer Milchstraße nur halb so viel Lithium-7 enthalten wie vorhergesagt. Aufsehenerregende Berichte von schwedischen Forschern, die in solchen Sternen außerdem deutlich mehr Lithium-6 entdeckten als vorhergesagt, müssen wohl auch aufgrund der neuen LUNA-Daten noch einmal überprüft werden. Bemmerer: "Sollten in Zukunft wieder ungewöhnliche Lithium-Konzentrationen beobachtet werden, wissen wir dank der neuen Messung, dass die Erklärung nicht in der Urknall-Nukleosynthese liegen kann."

Weitere Forschung bald im neuen Felsenkeller-Labor in Dresden
Wichtig für die Untersuchungen war auch die besondere Lage von LUNA: Im Bergmassiv Gran Sasso d'Italia halten 1400 m Felsgestein störende kosmische Strahlung fern. Zusätzlich ist das Labor in eine Bleihülle gekleidet. Nur durch eine solch gute Abschirmung können die seltenen Wechselwirkungen zwischen den Kernen präzise erfasst werden.

Schon im nächsten Jahr soll aber auch in Dresden ähnliche Forschung möglich sein. Dann wollen die Technische Universität Dresden und das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf das Beschleunigerlabor "Felsenkeller" in Betrieb nehmen. In dem ehemaligen Brauerei-Keller schirmen zwar nur 45 m Fels die natürliche Strahlung ab, dies reiche laut Bemmerer vom HZDR für viele Messungen aber bereits aus. Zudem habe das neue Labor einen mehr als zwölfmal so starken Teilchenbeschleuniger zu bieten: "Dort können wir dann unsere Experimente erweitern und die Entstehung der Elemente in höheren Energiebereichen erforschen."

Publikation:
M. Anders et al. (2014), First Direct Measurement of the 2H(alpha,gamma)6Li Cross Section at Big Bang Energies and the Primordial Lithium Problem. Physical Review Letters 113, 042501; DOI-Link http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.113.042501.

Weitere Informationen:
PD Dr. Daniel Bemmerer
Institut für Strahlenphysik am HZDR
E-Mail: d.bemmerer@hzdr.de

Anzeige

Das könnte Sie auch interessieren

Anzeige

Gravitationswellen

Zweites Signal beobachtet

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der LIGO-Virgo-Collaboration (LVC) haben vor kurzem ein weiteres Gravitationswellensignal beobachtet, das nach der Kollision zweier Schwarzer Löcher entstanden ist.

mehr...
Anzeige

Schnellster Feuchtebestimmer am Markt für Feuchte-/Feststoffgehalt

Der Feuchtebestimmer SMART 6 analysiert den Feuchtegehalt jeder Probe in nur 2 min. Ob nass oder trocken, Feststoff, Pulver oder Suspension – egal! Alle Probenarten werden dank der Kombination Mikrowelle/Halogen schnell und präzise bis zur Gewichtskonstanz getrocknet. Dank der Temperaturkontrolle sind die Messwerte vergleichbar zu den Standardmethoden.

mehr...

Astrophysik

Kometeneis im Labor

Poröses Eis, wie es im Weltall überall zu finden ist, haben der Chemiker Thomas Lörting und sein Team näher unter die Lupe genommen. In der Physical Review Letters berichten die Forscher, wie sie das Eis beim Aufwärmen beobachtet haben.

mehr...
Anzeige

Asteroidenanalytik

Lesen im Archiv des Sonnensystems

Der Grund für Dr. Agnese Fazio, nach Jena zu kommen, ist klein, geradezu winzig, aber dafür umso bedeutender. Denn die Mineralogin erforscht nicht weniger als die Geschichte unseres Sonnensystems – und das anhand von Staubpartikeln.

mehr...
Anzeige

Schnelle automatisierte Lösemittel Extraktion

Das EDGE Extraktionssystem ist ein sequentielles System für die schnelle automatisierte Lösemittel-Extraktion. Damit werden unterschiedliche Proben schnell in nur 5 min. extrahiert. Die Extraktionen im EDGE werden unter Druck und bei erhöhten Temperaturen durchgeführt, was zu einer starken Beschleunigung der Reaktionskinetik führt.

Zum Highlight der Woche...