Die ganze Welt ist voll mit Zeug. Die ganze Welt besteht aus Zeug. Und dieses Zeug muss irgendwo her kommen. Zeug wächst schließlich nicht auf Bäumen (bis auf das Zeug, dass auf Bäumen wächst natürlich). Wo also kommt das Zeug her? Oder – um wieder etwas wissenschaftlicher zu werden – wie sind die ganzen verschiedenen chemischen Elemente entstanden, aus denen die gesamte Materie besteht?

Die leichtesten Elemente – Wasserstoff und Helium – entstanden direkt beim Urknall selbst. Das war für lange Zeit erstmal alles, was es gab (ein paar Spuren von Lithium und Beryllium waren noch dabei, aber nicht in relevanten Mengen). Um die restlichen Elemente in die Welt zu bringen, mussten erst die Sterne entstehen. Aus den riesigen Wasserstoffwolken bildeten sich Sterne, und in ihrem heißen Inneren fand Kernfusion statt. Wasserstoffatome wurden zu Heliumatomen fusioniert. Später fusionierten die Heliumatome dann zum Beispiel zu Kohlenstoff- oder Sauerstoffatomen. Am Ende seines Lebens, wenn der Stern dann in einer großen Supernova explodiert, schleudert er die neu erzeugten Elemente wieder hinaus ins All. In den Sternen entstanden all die bekannten Elemente, aus denen heute unsere Welt besteht. Fast alle zumindest. Denn mit der Kernfusion gelangt man nicht über Eisen hinaus. Bei der Fusion von Elementen die leichter sind als Eisen, wird Energie freigesetzt. Will man Eisenatome fusionieren, muss man dagegen Energie aufbringen. Um die Elemente zu erzeugen, die schwerer sind als Eisen braucht es also einen anderen Prozess.

Hier spielen Neutronen einen Rolle. Das sind die elektrisch ungeladenen Bausteine eines Atomkerns. Bei gewissen hochenergetischen Ereignissen im All – zum Beispiel Supernovaexplosionen oder in großen, alten Sternen – werden viele Neutronen freigesetzt. Da sie elektrisch nicht geladen sind, können sie problemlos in den Atomkern eindringen (die positiv geladenen Protonen würden dagegen von den anderen positiv geladenen Protonen im Atomkern abgeblockt werden). So können sich immer mehr Neutronen in den Atomkernen anlagern. Irgendwann ist der Atomkern dann quasi überfüllt und das Element wird instabil. Es zerfällt, einige der Neutronen wandeln sich in Protonen um und dabei bilden sich neue und stabile Atome wie zum Beispiel Gold oder Silber.

Der Krebsnebel, der Rest eines explodierenden Sterns (Bild: X-ray: NASA/CXC/J.Hester (ASU); Optical: NASA/ESA/J.Hester & A.Loll (ASU); Infrared: NASA/JPL-Caltech/R.Gehrz (Univ. Minn.))

Bei dieser Entstehung der schweren Elemente unterscheidet man je nach Geschwindigkeit des Ablaufs zwei hauptsächliche Prozesse, die die Astronomen ganz kreativ “r-Prozess” (rapid process) und “s-Prozess” (slow process) genannt haben. Man weiß grob, wie sie ablaufen – was die Details angeht sind da aber noch jede Menge offene Fragen. Zum Beispiel: Wo genau finden diese Prozesse statt? Am wahrscheinlichsten ist es, dass es tatsächlich Supernova-Explosionen sind, die die schweren Elemente entstehen lassen. Aber welche Rolle spielt da zum Beispiel die Masse des Sterns? Bisher ging man davon aus, dass der Neutroneneinfang eine relativ einheitliche Angelegenheit ist und die gleichen Elemente überall in etwa auf die gleiche Art und Weise entstehen. Aktuelle Beobachtungen zeigen nun aber, dass die Geschichte wohl wesentlich komplizierter ist, als man bisher angenommen hat.

Camille Hansen von der Landessternwarte in Heidelberg und ihre Kollegen haben sich verschiedene Sterne beziehungsweise Sternenreste angesehen und gemessen, welche schweren Elemente man dort findet und in welchen Mengen sie vorhanden sind. Diese Daten haben sie dann miteinander verglichen. Wenn zum Beispiel Silber und Palladium auf die gleiche Art und Weise bei den gleichen Prozessen entstehen, dann sollte sich die Messwerte auch auf die gleiche Art verändern. Wenn ein schwerer Stern mehr Silber erzeugt als ein leichter, dann sollte er auch mehr Palladium erzeugen, als ein leichter. Als die Astronomen aber die verschiedenen Elemente bei den verschiedenen Sternen verglichen haben, zeigte sich, dass die Ergebnisse alles andere als einheitlich waren. Bei manchen Elementen verliefen die Daten tatsächlich gleich. Bei manchen verliefen sie dagegen genau gegengleich. Hansen und ihre Kollegen kamen zu dem Schluss, dass es neben dem normalen r-Prozess noch einen weiteren, neuen r-Prozess geben muss, um die Ergebnisse zu erklären. Dieser Prozess ist vor allem nötig, um die Entstehung von Silber zu erklären. In Juwelierläden oder bei olympischen Spielen findet man Silber zwar immer in nächster Nähe zum Gold – im Universum ist es aber offensichtlich auf ganz andere Weise und in anderen Sternen entstanden als sein wertvollerer Kollege.

Hansen und ihre Kollegen weisen in ihrer Arbeit darauf hin, dass die Supernova-Explosionen vermutlich nicht die einzigen Orte sind, an denen schwerer Elemente entstehen. Es wird noch mehr und genauerer Beobachtungen brauchen, bis wir wirklich genau wissen, wo das ganze Zeugs her kommt…

Flattr this

Kommentare (30)

  1. #1 Olli F.
    13. September 2012

    Halb OT – schau Dir mal die “Qualitätssicherungsseite Physik” zum Thema “Primordiale Nukleosynthese” bei Wikipedia an. Die scheinen da nicht so recht weiter zu kommen:

    > http://de.wikipedia.org/wiki/Wikipedia:Redaktion_Physik/Qualit%C3%A4tssicherung/Unerledigt/2010#Primordiale_Nukleosynthese

  2. #2 Edith
    Bündner Berge
    13. September 2012

    Ist die Entstehung der Elemente jetzt abgeschlossen? Oder ist es denkbar, dass noch neue, unbekannte (schwere) Elemente entstehen? Supernovaexplosionen gibt es ja immer noch…

  3. #3 Florian Freistetter
    13. September 2012

    @Edith: “Oder ist es denkbar, dass noch neue, unbekannte (schwere) Elemente entstehen?”

    Denkbar ist viel. Aber 1) braucht es enorm viel Energie, um Elemente zu erschaffen, wie wir noch nicht kennen. Die Wissenschaftler machen das ja schon seit langem in Teilchenbeschleunigern und es wird immer schwerer. Und 2) sind diese Elemente mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit nicht stabil sondern zerfallen schnell wieder in stabile und bekannte ELemente.

  4. #4 Pete
    13. September 2012

    @Edith
    Das Universum hatte knapp 14 Milliarden Jahre Zeit, auch die bislang unbekannten Elemente herzustellen, gefunden wurden keine davon. Supernovaereignisse geschehen auch “jetzt” und auch hier findet man nur Elemente aus der Reihe der natuerlichen 92. Alle “ueberschweren Elemente” wurden im Labor erzeugt. Hier findet man auch eine Erklaerung, warum man davon keine “in der Natur” findet: Sie sind teilweise so kurzlebig, dass man zumindest im Labormasstab die Analyse gerade so durchfuehren konnte, um die, oft nur ein paar, Atome zu bestimmen.
    Ergo, wenn ueberschwere Elemente entstehen, sind sie zerfallen, bevor sie sich so richtig bemerkbar machen koennen. Man vermutet um Element 115 herum noch eine “Stabilitaetsinsel” , also eine Moeglichkeit, ein stabiles ueberschweres Element zu erhalten. Im Labor ist man noch nicht so weit.
    Zudem wird fuer die Erzeugung ueberschwerer Elemente sehr viel Energie benoetigt, das koennte mehr sein, als eine Super-(Hyper-)nova ueberhaupt zu liefern imstande ist. Ich habe mich nicht genau damit befasst, aber ich gehe davon aus, dass der Energiebedarf mit der Ordnungszahl des Elementes stark ansteigt. Irgendwann reicht es dann nicht mehr.

    Pete

  5. #5 Kallewirsch
    13. September 2012

    Hier spielen Neutronen einen Rolle. Das sind die elektrisch ungeladenen Bausteine eines Atomkerns. Bei gewissen hochenergetischen Ereignissen im All – zum Beispiel Supernovaexplosionen oder in großen, alten Sternen – werden viele Neutronen freigesetzt. Da sie elektrisch nicht geladen sind, können sie problemlos in den Atomkern eindringen (die positiv geladenen Protonen würden dagegen von den anderen positiv geladenen Protonen im Atomkern abgeblockt werden). So können sich immer mehr Neutronen in den Atomkernen anlagern und dabei neue Elemente entstehen lassen. Irgendwann ist der Atomkern dann quasi überfüllt und das Element wird instabil. Es zerfällt, und bildet dabei neue, stabile Atome wie zum Beispiel Gold oder Silber.

    Irgendeine Zutat fehlt da noch.
    Wo kommen die zusätzlichen Protonen her, die es braucht, damit ein Atomkern entstehen kann, der mehr Protonen als ein Eisenkern beinhaltet?

  6. #6 Kallewirsch
    13. September 2012

    Ah, Habs.
    Wichtig: Neutronen sind nicht stabil sondern können zerfallen. Dabei entsteht das Proton, welches den Kern auf das nächsthöhere Element im Periodensystem hievt.

  7. #7 MartinB
    13. September 2012

    @Kallewirsch
    Wenn ein Kern einen Überschuss an Neutronen hat, dann können die in Protonen, Elektronen und (Anti-)Neutrinos zerfallen (Beta-Zerfall).

  8. #8 rolak
    13. September 2012

    Ich plädiere: Unentschieden!

  9. #9 Kallewirsch
    13. September 2012

    @Martin

    Genau. Ich finde das sollte man im Artikel auch erwähnen. So wie jetzt ist das ein wenig missverständlich. Ein Atom (zb.) Kohlenstoff in den Neutronen eingebracht werden, ist immer noch ein Kohlenstoffatom, wenn auch ein anderes Isotop. Damit aus dem Kohlenstoff-Kern ein Kern eines schwereren Elements entsteht, müssen ‘zwingend’ irgendwie die Protonen im Kern mehr werden. Erst dadurch ensteht dann ein Element mit größerer Ordnungszahl.

  10. #10 MartinB
    13. September 2012

    @Florian
    “Zeug wächst schließlich nicht auf Bäumen (bis auf das Zeug, dass auf Bäumen wächst natürlich)”
    ROFL

  11. #11 Edith
    Bündner Berge
    13. September 2012

    @ FF und Pete, Danke für die Aufklärung 🙂

  12. #12 Florian Freistetter
    13. September 2012

    @Kallewirsch: ” Damit aus dem Kohlenstoff-Kern ein Kern eines schwereren Elements entsteht, müssen ‘zwingend’ irgendwie die Protonen im Kern mehr werden. Erst dadurch ensteht dann ein Element mit größerer Ordnungszahl.”

    Stimmt schon. Das habe ich implizit in den Satz “Zerfällt in andere, stabile Elemente” gepackt. Da ich vorher nix zum Aufbau von Atomen und dem Unterschied zwischen Element und Isotop gesagt habe, wollte ich die Geschichte nachher nicht noch komplizierter machen. Ich hab probiert, das noch einmal weniger mißverständlicher und klarer zu formulieren.

  13. #13 Theres
    13. September 2012

    @FF
    Das ist dir auch sehr gut gelungen. Aber diese Einleitung – einfach genial! Da macht lesen doch richtig Spaß!

  14. #14 Eda
    13. September 2012

    Was mich interessieren würde, ist, wieso das Zeug hier auf der Erde in Klumpen gefunden wird?
    Ich meine, wenn schwerer Elemente während einer Explosion entstehen, wird es doch wohl kaum so sein, dass in diesem Kubikmeter Gold entsteht und in jenem Silber. Da wird doch viel eher alles wild durchmischt entstanden sein.
    Und wenn das Zeug dann mit einem enormen Karacho durch den Weltraum fliegt wird es ja erst langsamer, wenn es auf etwas trifft. Oder spielt hier die Expansion des Universums eine Rolle?
    Um aus eine schön homogenen Zeugmischung Klumpen zu bekommen brauchts sowas wie ne Zentrifuge (was auch per Gravitation bewerkstelligt werden kann), doch wo soll die gewesen sein? Es braucht nämlich schon ziemlich grosse Körper um dies zu erreichen. Meines Wissens ist der Mond noch zu klein dafür, denn es soll nicht so geschichtet sein wie die Erde mit dem Eisenkern in der Mitte. Und dann müssten diese Körper zersplittert sein und uns als Asteroiden getroffen haben.

    Versteht ihr, was ich meine?
    Wieso ist die Verteilung des Zeugs auf der Erde genau so, wie sie ist? Wie ist das Gold und Silber auf die Erde gekommen?

    Gruss, Eda

  15. #15 schlappohr
    14. September 2012

    Was ich mich jetzt frage: Warum treten manche chemischen Elemente auf der Erde in Ansammlungen auf (z.B. in Goldnuggets oder Uranminen)? In dem Chaos nach einer SN sollte man doch annehmen, dass alle erzeugten Elemente räumlich etwa gleichverteilt sind. Auf einem Planeten, der durch Verdichtung daraus entsteht, müsste es doch genauso so sein. Sind es geologische Prozesse, die zu der räumlichen Ungleichverteilung führen?

  16. #16 noch'n Flo
    Schoggiland
    14. September 2012

    @ schlappohr:

    Viele der von Dir genannten Elemente sind aber auch erst im Laufe der Zeit durch Einschläge von Asteroiden oder ähnlichen Körpern auf die noch junge Erde gelangt. Das führt natürlich zu einer inhomogenen Verteilung.

  17. #17 schak
    14. September 2012

    Man kann noch anmerken, dass es auch unter Uran viele Elemente gibt die nur in minimalsten Spuren vorkommen wie z.B: Astat oder Francium bzw. Technetium welches nur im Labor erzeugt werden kann weil es kein stabiles Isotop gibt. Von Francium gibt es angeblich nur 6 Atome weltweit gleichzeitig 🙂

  18. #18 Kallewirsch
    14. September 2012

    Was ich mich jetzt frage: Warum treten manche chemischen Elemente auf der Erde in Ansammlungen auf (z.B. in Goldnuggets oder Uranminen)?

    Sind es geologische Prozesse, die zu der räumlichen Ungleichverteilung führen?

    Ich würde mal sagen ja. In der Vorläuferscheibe der Planeten kommt es ja zu ständigen Kollisionen. Die Erde ist ja in ‘ständiger Umwälzung’. Denk zb an Sandbänke bei denen sich Material in den Kurven aussen ablagert, etc. Auch ein interessantes Phänomen: Nimmt man eine bunte Mischung von Sand und Steinen unterschiedlicher Größe und schüttelt sie (so wie bei einem Sieb), dann wandern die größeren Körner/Steine nach oben(!) und die kleinen nach unten. (Vereinfacht gesagt: große Körner haben zwischen sich große Lücken, kleine Körner lassen kleine Lücken. Die kleinen Körner fallen aber leichter durch große Lücken als umgekehrt). Es gibt mit Sicherheit noch viele viele Prozesse in denen Separierung stattfindet.Salze lösen sich und werden an anderen Stellen wieder ausgefällt, etc, etc.

  19. #19 Florian Freistetter
    14. September 2012

    @schlappohr: “Sind es geologische Prozesse, die zu der räumlichen Ungleichverteilung führen?”

    Richtig. Es kommt ja nicht Staub aus allen Richtungen und bildet einen Planeten. Der Staub wächst durch Kollisionen langsam zu immer größeren Brocken und diese Brocken zu Asteroiden, die zu Planeten. Und bei jeder Kollision schmilzt das ganze Teil auf – und dann sinken die schweren Elemente nach unten bzw. in die Mitte des Himmelkörpers. So sortiert sich im Laufe der Zeit alles ein bisschen und es entstehen “Ansammlungen”.

  20. #20 Eda
    14. September 2012

    Bleibt noch die Frage, wie das Zeug, das mit einem heiden Karacho durch den Weltraum saust abbremst und es sich in einem (entstehenden) Sonnensystem gemütlich macht?
    Auf diese interstellaren Entfernungen kann da ja nicht mehr viel unterwegs sein (durch die Gravitation eingefangen?), resp. wir müssten noch heute in einem feinen kosmischen Staubregen aus Zeug stehen, oder nicht?

  21. #21 Wissenslücke
    14. September 2012

    Super Einleitung, hat Spaß gemacht!
    Wer Lust hat, das ganze in Bildern bzw. als Film zu sehen (also die Sache mit dem “Zeugs” und woher es kommt usw.) dem sei “Wonders of the Universe” von der BBC empfohlen.
    Es ist für Laien gemacht, und sicher haben die Damen und Herren Profi-Astronomen und Kosmologen noch viel mehr harte Fakten in der Tasche – aber ich fand`s toll und hilfreich als Einstieg in die Materie.

  22. #22 Aiko
    Ruhrpott
    14. September 2012

    Über die Einleitung bin ich auch gestolpert und da ist mir dann Heidegger und seine Abhandlung über den Ursprung des Kunstwerkes eingefallen, in der er zwischen Ding, Zeug und Werk unterscheidet. Zeug ist dann das Ding, was dem Gebrauch dient – also Werkzeug oder Putzzeug. In dem Zusammenhang mit dem ganzen Elementen-Zeug kommt dann doch diese Sicht auf, dass die Dinge offenbar unter dem Gebrauchsaspekt gesehen werden – und dann da was erzeugt wurde – was doch merkwürdigerweise auf einen “Erzeuger” hinweist. Ich will das ja nicht unterstellen, aber es scheint ziemlich tief zu sitzen, dieser Gedanke des Erzeugens. Das Universum jedenfalls hat nichts erzeugt. Die Bedingungen bringen nämlich ganz von selbst die Dinge hervor – wahrscheinlich heißen sie deshalb Dinge.
    Der “Erzeuger” des ganzen Universumszeugs ist dann wohl der Naturwissenschaftler – wie?
    Zwar ist das Ding schon da – aber erst unter dem Auge des Betrachters kann man damit was anfangen und es gebrauchen ….

  23. #23 Noblinski
    14. September 2012

    So wie ich die Nachricht verstanden habe, könnte es also sein, daß Silber im Universum seltener ist als Gold, das wäre doch ein echtes Faszinosum. Vielleicht ist ja Quecksilber dann noch seltener? Ich weiß jetzt auch nicht, warum ich dabei sofort an den Begriff “goldgepreßtes Latinum” denken muß…

  24. #24 Hüddel
    Münster
    15. September 2012

    @Florian Freistetter: Danke für die tolle und anschauliche Erklärung, die auch für mich, als wissenschaftlichen Laien, verständlich ist. Das Periodensystem der Elemente ist ja auf den ersten Blick eine recht trockene Angelegenheit aus weit zurückliegenden Schuljahren. Ich werde mein Wissen dazu jetzt aber trotzdem mal wieder auffrischen. Beispielsweise die Tatsache, dass alles, was nach Eisen kommt, als schweres Element bezeichnet wird, war mir so noch gar nicht bewusst.

  25. #25 Alderamin
    15. September 2012

    @Hüddel

    Dann wirst Du wahrscheinlich verblüfft sein, dass die Astronomen n ihrem Jargon sogar alles, was über Helium im Periodensystem steht, als “Metalle” bezeichnen. Also Kohlenstoff, Silizium, Neon, Sauerstoff… alles Blech 😉

  26. #26 BenzTownBlues
    17. September 2012

    @die, die nach der Anreicherung von “Zeugs” auf der Erde gefragt hatten: In der primordialen Erde lagen die Bestandteile wahrscheinlich mehr oder weniger homogen verteilt vor. Durch geologische Prozesse – vor allem die Anreicherung als Kumulat von vulkanischen Gesteinsschmelzen und Ausfällung aus hydrothermalen Lösungen – wurden die Erze dann über die Erdgeschichte hinweg in Lagerstätten angereichert. Dass Gold und Silber als Klumpen vorkommen passiert, ist aber nicht die Regel. Üblich ist eine disperse Verteilung im Muttergestein, die kaum makroskopisch sichtbar ist (aber dennoch ggf. von wirtschaftlichem Interesse). Besonders reiche Edelmetallvorkommen haben eine lange und komplexe geologische Geschichte hinter sich, in deren Verlauf die Edelmetallgehalte durch mehrere aufeinanderfolgende Prozesse sukzessive immer weiter aufkonzentriert wurden. Im Detail ist das sehr komplex, über Lagerstättenkunde gibt es enorm viele Bücher und Paper.

  27. […] Detail erläutert, wie sterbende Sterne in ihren äußeren Schichten schwere Elemente produzieren (r-Prozess und s-Prozess). Andererseits ist die Fülle an Details auch manchmal ein wenig abschreckend. Selbst mir als […]

  28. […] sind sie auch so selten. Gold, Silber, Platin und all die anderen schönen Sachen entstehen nur während der kurzen Phase in der ein Stern stirbt. Wenn ein Stern explodiert werden Neutronen freigesetzt und die können in bestehende Atomkerne […]

  29. […] selbst entstehen noch Elemente und zwar all die, die schwerer sind als Eisen (siehe dazu auch hier). Nur während der enorm hochenergetischen Explosionen, die zur Entstehung schwarzer Löcher […]

  30. […] wird kurzfristig genug Energie frei, um Elemente wie Gold oder Silber zu bilden. Die Vorgänge die dabei ablaufen sind noch nicht völlig verstanden – und sie wie es scheint, könnten sie unter Umständen […]