Helium ist das zweithäufigste Element im gesamten Universum. Trotzdem ist es auf der Erde so gut wie nirgendes zu finden und wurde erst in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts entdeckt. Dafür sind die Eigenschaften dieses Elements verantwortlich und vor allem die ganz besondere Art und Weise auf die es entstanden ist. Und weil es so besonders und selten ist, aber gleichzeitig auch so wichtig, könnte es uns vielleicht bald ausgehen…

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Transkription

Die helle gelbe Linie zeigt die Existenz von Helium im Spektrum des Sonnenlichts an (Bild: NASA, public domain)

Die helle gelbe Linie zeigt die Existenz von Helium im Spektrum des Sonnenlichts an (Bild: NASA, public domain)

Sternengeschichten Folge 141: Helium – Die Nummer 2 im Universum

Helium ist ein faszinierendes chemisches Element. Es ist nach Wasserstoff das zweithäufigste Element im ganzen Universum. Und trotzdem wurde es erst in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts entdeckt. Über Helium könnte man ganze Bücher schreiben oder stundenlang in Podcasts erzählen. Helium bietet Stoff für Unmengen an Geschichten – aber wir fangen am besten am Anfang an. Ganz am Anfang. Beim Urknall selbst.

Denn Helium ist deswegen das zweithäufigste Element des Universums, weil es zusammen mit dem Wasserstoff das einzige Element ist, das in relevanten Mengen direkt beim Urknall selbst entstanden ist.

Direkt nach dem Urknall vor 13,8 Milliarden Jahren gab es noch keine chemischen Elemente. Es gab noch nicht einmal richtige Atome. Dafür war es noch zu heiß. Es gab nur Elementarteilchen, die Quarks die frei und ungebunden im All existieren. Erst etwa eine Hunderstelsekunde nach dem Beginn unseres Universums war es kühl genug, damit sich die Quarks miteinander verbinden konnten. Es entstanden die Protonen, elektrisch positiv geladenen Teilchen und Neutronen, die keine elektrische Ladung haben.

Mit den Protonen war da auch schon der wichtigste Bestandteil des häufigsten Elements des Universums vorhanden: Wasserstoff. Der Kern eines Wasserstoffatoms besteht nur aus einem einzigen Proton; musste also nicht mehr extra entstehen. Helium ist ein klein wenig komplizierter. Sein Kern besteht aus zwei Protonen UND zwei Neutronen. Protonen und Neutronen konnten sich knapp eine Sekunde nach dem Urknall zwar miteinander verbinden, aber weil es damals im Universum eben immer noch ENORM heiß war und entsprechend viele hochenergetischen Lichtteilchen durch die Gegend sausten, blieb diese Verbindung nicht lange stabil. Außerdem verbanden sich damals meist nur ein Proton und ein Neutron und bildeten kein Helium sondern Deuterium, ein Isotop des Wasserstoff.

Erst ungefähr eine Minute nach dem Urknall war es kühl genug, dass sich Protonen und Neutronen zu den Kernen von Helium-Atomen verbinden konnten. Dafür hatten sie aber nicht beliebig viel Zeit. Ist ein Neutron nicht Teil eines Atomkerns sondern fliegt alleine durchs All, dann ist es nicht stabil sondern zerfällt. Im Durchschnitt überlebt ein freies Neutron nur 10 Minuten und wenn es in dieser Zeit kein Proton findet an das es sich binden kann, hat es Pech gehabt.

In den ersten fünf Minuten des Universums gab es noch genug Protonen und Neutronen, damit Heliumkerne entstehen konnten. Danach war die Zahl der freien Neutronen aber so weit gesunken, das sich keine neuen Atome mehr gebildet habe. Man kann berechnen, wie viel Wasserstoff und Helium nach dem Urknall entstanden sein muss: Das Verhältnis muss 75 Prozent Wasserstoff zu 25 Prozent Helium betragen und genau das ist es auch, was man tatsächlich beobachtet, wenn man die Zusammensetzung der allerersten und ältesten Sterne untersucht.

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Kommentare (26)

  1. #1 Captain E.
    7. August 2015

    Eine Frage zu den Elementarteilchen und den Quarks. Ist es richtig, dass alle Quarks Elementarteilchen sind, aber nicht umgekehrt? Das kommt nicht ganz so deutlich herüber, und die Elektronen gehören meines Wissens auch zu den Elementarteilchen.

    Ach ja, und freie Neutronen zerfallen natürlich nicht zu nichts, sondern zu Protonen, Elektronen und Elektron-Antineutrinos – klassischer Beta-Zerfall. Nur mal so nebenbei…

  2. #2 schlappohr
    7. August 2015

    Warum entweicht das Helium vollständig ins All? Der Druck der Athmosphäre ist doch ab einer bestimmten Höhe praktisch weg, und was dann bleibt, ist die Gravitation, die sollte die He-Atome doch eigentlich festhalten. Ich hätte erwartet, dass sich das Helium sammelt und die höchste Athmosphärenschicht bildet.

  3. #3 McPomm
    7. August 2015

    Konnte es nun schon zweifelsfrei nachgewiesen werden, dass es Helium-3 in abbauwürdigen Mengen auf dem Mond gibt?

    http://scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2009/08/05/lost-bemannte-raumfahrt-unser-energieproblem/

  4. #4 Captain E.
    7. August 2015

    @schlappohr:

    Deine Vorstellung ist gar nicht mal so falsch, aber das Problem ist, dass die Erde keine Scheibe oder sonstige Barriere hat. Helium und Wasserstoff werden so hoch hinauf getragen, dass sie dann einfach weg sind und womöglich nie wieder zur Erde zurückkehren. Der Sonnenwind dürfte dazu auch so seinen Teil beitragen.

  5. #5 Alderamin
    7. August 2015

    @schlappohr

    Wenn die Teilchengeschwindigkeitsverteilung aufgrund der Temperatur einen signifikanten Anteil von Teilchen beinhaltet, die schneller als die Fluchtgeschwindigkeit eines Planeten unterwegs sind, dann geht das Gas mit der Zeit ins All verloren. Das ist auf der Erde mit Wasserstoff und Helium so und auf dem Mond mit Wasser. Der gravitativ im Vergleich zum Mond viel schwächere Pluto kann hingegen sogar Stickstoffgas halten, weil es da draußen so kalt ist, dass das Zeugs gefriert.

    Generell wird die Atmosphäre der Planeten vom Sonnenwind immer ein wenig erodiert, es hängt dann auch von der Menge des Gases und der Existenz eines Magnetfelds zur Abschirmung des Sonnenwinds ab (und natürlich vom Sonnenabstand), wie schnell das vor sich geht.

    @Captain E

    Die Burschen hier sind alle elementar (und ihre Antiteilchen ebenso). Alles andere (bekannte) ist zusammengesetzt.

  6. #6 Florian Freistetter
    7. August 2015

    @Captain: “Ach ja, und freie Neutronen zerfallen natürlich nicht zu nichts,”

    Hab ich das so gesagt?

  7. #7 Captain E.
    7. August 2015

    Nein, du hast aber nichts dazu gesagt.

  8. #8 Florian Freistetter
    7. August 2015

    @Captain E.: Naja, ich kann schwer alles erklären. Zu was Neutronen zerfallen erschien mir hier für das Thema nicht wirklich relevant zu sein, darum hab ich es weg gelassen.

  9. #9 Captain E.
    7. August 2015

    @Florian Freistetter:

    Siehst, und ich habe es halt in einem Kommentar erwähnt -kein Grund, sich aufzuregen.

  10. #11 Steffmann
    7. August 2015

    Im Durchschnitt überlebt ein freies Neutron nur 10 Minuten und wenn es in dieser Zeit kein Proton findet an das es sich binden kann, hat es Pech gehabt.

    Ein Hadron mit Pech, schön :-). Das verstehe ich ja noch, aber womit ich immer noch Schwierigkeiten habe, ist das hier:

    aber weil es damals im Universum eben immer noch ENORM heiß war und entsprechend viele hochenergetischen Lichtteilchen durch die Gegend sausten

    Warum nochmal wurde das Universum irgendwann transparent ? Waren Photonen tatsächlich existent zu der Zeit oder sind sie vielmehr ein Produkt der Elektronenbindung an die frei herumwirbelnden Protonen/Neutronen-Konstrukte ? Irgendwie nicht schlüssig. Aber ich habe auch (fast) keine Ahnung.

  11. #12 Steffmann
    7. August 2015

    Das war eine Frage ans Forum, keine Feststellung. Sorry, wenn das falsc h rüber kam.

  12. #13 Alderamin
    7. August 2015

    @Steffmann

    Warum nochmal wurde das Universum irgendwann transparent ?

    Weil es sich durch seine Expansion auf unter 3000 K abkühlte, so dass die freien Elektronen des Plasmas von den Kernen eingefangen wurden und nur noch bestimmte Linienfrequenzen absorbieren konnten. Vorher war das Gas ein Plasma wie die Sonne, das alle Wellenlängen absorbieren und streuen kann.

    Waren Photonen tatsächlich existent zu der Zeit oder sind sie vielmehr ein Produkt der Elektronenbindung an die frei herumwirbelnden Protonen/Neutronen-Konstrukte ?

    Als die Inflation endete und die Energie des Inflatonfelds frei gesetzt wurde, geschah das bei Temperaturen, wo alle Grundkräfte vereinigt waren. Da gab es nur Energie. Daraus entstanden dann Teilchen und Antiteilchen, die sich größtenteils gleich wieder zu Gammaquanten vernichteten. Spätestens da gab es Photonen (was das Zeugs vorher während der großen Vereinheitlichung war, da bin ich nicht sicher). Nach wenigen Minuten kam es dann zur Fusion der ersten Kerne zu Deuterium, Helium etc., da wurden auch Gammaquanten freigesetzt. Die freien Elektronen im Plasma haben dann schließlich auch noch munter in allen Wellenlängen temperaturgestrahlt. Lange bevor das Weltall nach 380000 Jahren transparent wurde.

  13. #14 PDP10
    7. August 2015

    @Steffmann:

    “Warum nochmal wurde das Universum irgendwann transparent ? Waren Photonen tatsächlich existent zu der Zeit oder sind sie vielmehr ein Produkt der Elektronenbindung an die frei herumwirbelnden Protonen/Neutronen-Konstrukte ?”

    Alles eine Frage der Dichte …

    Photonen gabs von Anfang an. Eigentlich gabs am Anfang nur Photonen, weil das Universum zu dicht und zu heiss war um Materie (i.e. Elementarteilchen) bilden zu können (da waren mindestens die drei Grundkräfte elektrische und schwache und starke Kernkraft noch eine Suppe). Das dauerte aber nicht lange.

    Als die Materie dann da war, war selbige aber so dicht, dass die in der Gegend rumfliegenden Photonen nirgendwo durch kamen ohne mit Materie zu wechselwirken.

    Erst als sich das Universum ein wenig ausgedehnt hatte, so ungefähr nach 300.000 Jahren, war die Materie so wenig dicht, dass sich die Photonen, die noch vom Anfang übrig waren, halbwegs frei bewegen konnten.

    Das sehen wir heute als kosmische Hintergrundstrahlung.

    (Warnung: Das ist nur was ich von der ganzen Sache glaube verstanden zu haben. )

  14. #15 dgbrt
    7. August 2015

    @schlappohr: Warum entweicht das Helium vollständig ins All?

    @Alderamin: Du liegst da etwas falsch. Thermisch geht uns nur der Wasserstoff verloren. Bei Helium geht das im Wesentlichen nur durch die Ionisierung verursacht vom Sonnenwind. Die geladenen Teilchen verlassen uns dann entlang des Magnetfeld der Erde.

    Der thermische Effekt wird im Englischen “Jeans escape” genannt; benannt nach dem englischen Astronomen James Jeans.

    Es gibt einen sehr schön bebilderten Artikel zu dem Thema hier (PDF, Englisch):
    http://faculty.washington.edu/dcatling/Catling2009_SciAm.pdf

  15. #16 dgbrt
    7. August 2015

    @PDP10:
    Es gab am Anfang nicht Photonen, im Gegenteil, es waren sehr viele sehr exotische Elementarteilchen. Die untersucht man z.B. am CERN.

  16. #17 dgbrt
    7. August 2015

    @Florian:
    Interessant ist, dass der heutige Weltmarkt für Helium zu 70-80% von den USA dominiert wird. Die haben seit 1925 das Zeug gesammelt, vor allem für Luftschiffe und später für die Raumfahrt im Kalten Krieg, und erst 1996 beschlossen damit aufzuhören und es ab 2005 zu verkaufen. Die Reserven aus der Sammlung reichen noch mindestens 50 Jahre.
    https://en.wikipedia.org/wiki/National_Helium_Reserve

  17. #18 PDP10
    7. August 2015

    @dgbrt:

    “Es gab am Anfang nicht Photonen, im Gegenteil, es waren sehr viele sehr exotische Elementarteilchen. “

    Nein. Es gab am Anfang, wie gesagt, nur Photonen.

    “Am Anfang” bezeichnet hier allerdings eine Zeitspanne um die 10^-30 Sec.

    Erst danach – ab dem Ende der Inflation, so mein Verständnis der Theorie – war das Universum kalt genug, damit sich überhaupt Elementarteilchen bilden konnten.

    Das meinte ich mit “das dauerte aber nicht lange”.

  18. #19 dgbrt
    8. August 2015

    @PDP10:
    Du verstehst das falsch, bei 10^−30 s entstanden die ersten Quarks, und die brauchen nun wirklich keine Photonen für ihre Wechselwirkungen. Da war einfach nur verdammt viel Energie/Masse auf engstem Raum zusammengepresst.

    Wirklich verstanden hat man die Prozesse bis jetzt noch nicht, aber ein Photon braucht Raum, nur den gab es da noch nicht.

    Und eigentlich geht es hier doch nur um Helium…

  19. #20 Braunschweiger
    8. August 2015

    @PDP10, dgbrt: Könntet ihr euch eventuell an einen Physiker wenden oder gleich mit Fundstellen im Internet (besser WP, nicht YT) argumentieren? – Das wäre evtl. erträglicher und fachlicher. Danke.

  20. #21 PDP10
    8. August 2015

    @Braunschweiger:

    “@PDP10, dgbrt: Könntet ihr euch eventuell an einen Physiker wenden [..]

    Ähm … also ich für meinen Teil hab da so einen Schein in meinem Uni-Ordner abgeheftet, auf dem steht:

    “Herr Xy hat mit Erfolg an der Vorlesung zum Thema ‘Theorie der Elementarteilchen’ teilgenommen
    Gez. Professor Abc … ”

    Ok, war’n Sitzschein. Was aber nicht heisst, dass ich von dem ganzen Gewese mit den Gammas und Lambdas in der kovarianten Formulierung der QFT total nichts verstanden hätte …

    Was allerdings auch nicht heisst, dass ich jetzt ein Spezialist in Kosmologie wäre – ganz im Gegenteil.
    Was ich da oben reingeschrieben habe ist – wie gesagt – nur dass, was ich darüber so aufgeschnappt habe …

  21. #22 Braunschweiger
    8. August 2015

    @PDP10: Es mag ja sein, aber Gesagtes gilt ja vor allem nicht nur für dich. Wenn man schon behauptet “ich habe recht”, dann ist es auch von Vorteil gleich mal die Fakten-Keule zu schwingen, vor allem für den mitlesenden Unbeteiligten (oder die eigene Glaubwürdigkeit). Es führt sonst zu nichts. Es sein denn, ein Bisschen Meckern war das Ziel. 😉

  22. #23 Alderamin
    8. August 2015

    @dgbrt

    Thermisch geht uns nur der Wasserstoff verloren. Bei Helium geht das im Wesentlichen nur durch die Ionisierung verursacht vom Sonnenwind. Die geladenen Teilchen verlassen uns dann entlang des Magnetfeld der Erde.

    Danke für den Artikel. In der Wikipedia steht’s anders (und so hatte ich das auch gelernt). Aber interessant ist dort der letzte Punkt über den dominanten Prozess des Atmosphärenverlusts der Erde: die Erde verlor den größten Anteil der Atmosphäre durch die Verflüssigung des Wasser und die Bindung von CO2 in Gestein; sonst wäre die Atmosphäre noch dichter als die der Venus.

  23. #24 Alderamin
    8. August 2015

    @dgbrt, PDP10

    Diesen Artikel hätte ich gerne gelesen, aber der Abstract sagt schon, dass nach diesem Modell hauptsächlich Photonen nach der Inflation freigesetzt wurden.

  24. #25 dgbrt
    8. August 2015

    @Alderamin: Danke für den Artikel. In der Wikipedia steht’s anders (und so hatte ich das auch gelernt).

    In der englischen Wiki steht’s nicht anders, der Abschnitt ist nur sehr allgemein gehalten und deswegen auch teilweise irreführend. Aber genau da habe ich den von mir verlinkten Artikel gefunden. Und die deutsche Wiki kann man zu diesem Thema sowieso völlig vergessen.

  25. #26 dgbrt
    8. August 2015

    @Alderamin, PDP10
    Die deutsche Wiki ist bei diesem Thema sehr umfangreich:
    https://de.wikipedia.org/wiki/Urknall#Primordiale_Nukleosynthese
    Bei 10^-30 s bildeten sich die ersten Quarks. Auch wenn man heute Zeitabstände sehr genau messen kann, diese Zeitspanne ist deutlich kleiner als das, was Atomuhren heute können (10^−13):
    https://de.wikipedia.org/wiki/Atomuhr#Hochpr.C3.A4zise_Atomuhren

    Die ersten messbaren Photonen entstanden etwa 380.000 Jahre nach dem Urknall. Das nennt man heute Hintergrundstrahlung:
    https://de.wikipedia.org/wiki/Hintergrundstrahlung#Theorie