Kernphysikprozesse in Supernovae

Alle Elemente mit Ausnahme von Wasserstoff, Deuterium und Helium werden in Sternen synthetisiert. Durch exotherme Kernfusion können allerdings keine Elemente gebildet werden, die schwerer sind als Eisen. Diese werden in besonders massereichen Sternen am Ende ihrer Entwicklung in einer gigantischen Explosion erzeugt, der Supernova (SN) vom Typ IIa, wobei der Stern allerdings zunächst erst unter seinem eigenen gravitativen Druck implodiert, bevor die eigentliche Explosion stattfindet.

Während die einzelnen Sternentwicklungsphasen gut bekannt sind, sind SN-Modellrechnungen immer noch problematisch. Für die explosive Energie des Sterns ist, wie sich zeigt, nur ein einziger Parameter am kritischen Punkt kurz vor dem Kollaps ausschlaggebend: die Zahl der Elektronen pro Baryon. Dieses Verhältnis ist bestimmt durch die Zahl der Elektronen, die zuvor durch Elektron-Einfangreaktionen (EC) in Neutrinos umgewandelt wurden. Da diese das Sterninnere ungehindert verlassen, können sie gravitative und damit einen Teil der explosiven Energie in Form von kinetischer Energie forttragen.

Die genaue Kenntnis der EC-Raten für Kerne der Eisen/Nickel-Gegend ist für SN IIa-Modellrechnungen von zentraler Bedeutung. Diese Kenntnis ist zurzeit lückenhaft, und in der Tat sind alle Simulationen von Supernovae ohne "fine-tuning" nicht in der Lage, eine Explosion zu generieren.

Nun zeigt sich, dass die Raten der EC-Prozesse auch durch Laborexperimente zugänglich sind. Hadronische Streuprozesse (z.B. die Proton-Kern-Streuung zwischen 100 und 500 MeV) sind in einem bestimmten kinematischen Fenster sensitiv auf genau die Operatoren, welche den EC-Prozess beschreiben. In der Sprache der Kernphysik sind diese Prozesse unter dem Namen Gamow-Teller (GT) Übergänge bekannt. Um diese Übergänge zu beleuchten, werden Experimente am Kernfysisch Versneller Instituut (KVI) in Groningen durchgeführt. Hierzu ist in den vergangenen Jahren von der EUROSUPERNOVA-Kollaboration ein in vieler Hinsicht neuartiges Detektorsystem für ein Magnet-Spektrometer aufgebaut worden. Zum Themenkreis gibt es mittlerweile eine Vielzahl von Einzelprojekten mit umfangreichen Messprogrammen, welche im internationalen Vergleich mit konkurrenzloser Qualität durchgeführt werden können.

Ähnliche Überlegungen gelten auch für das explosive Endstadium eines binären Systems (Superova Ia). Im Gegensatz zur SN IIa-Explosion spricht man bei der SN Ia von einer 'Verpuffung', die von einer sich nach Außen fortpflanzenden Flammenfront getragen wird. Auch hier finden EC Prozesse statt. Die Kenntniss der zugehörigen GT Übergänge ist wichtig für das Verständnis der Dynamik von SN Ia und der Isotopenzusammensetzung der von SN Ia synthetisierten Elemente.

Links

Publikationen in diesem Bereich
Diplomarbeiten und Dissertationen in diesem Bereich
KVI Groningen
Joint Institute for Nuclear Astrophysics (JINA)