Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Alte Sterne erinnern sich an den Urknall

04.05.2001


Wissenschaftlern am Max-Planck-Institut für Astrophysik ist es gelungen, durch die Verknüpfung der modernsten Sternentwicklungsrechnungen mit Beobachtungen sehr alter Sterne die im Urknall erzeugte Menge von Lithium zu bestimmen, woraus sich die kosmologische Dichte gewöhnlicher Materie herleiten lässt.

Lithium (genauer: das Lithium-7 Isotop, dessen Kern aus 3 Protonen und 4 Neutronen zusammengesetzt ist) ist das schwerste Element, welches ausser Wasserstoff- und Helium-Isotopen im Urknall, also am Anfang des Universums, in nennenswerter Menge gebildet wurde. Wieviel von jedem dieser primordialen Elemente entstand, hängt wesentlich von der Dichte gewöhnlicher (baryonischer) Materie ab, d.h. von der Dichte von Neutronen und Protonen. Man kann diese Baryonen-Dichte bestimmen, wenn es gelingt, die primordialen Häufigkeiten von Deuterium (schwerer Wasserstoff), Helium, und Lithium-7 zu messen. Allerdings stellt sich die Frage, wo man in einem 14 Milliarden Jahre alten Universum danach suchen kann, wenn alle chemischen Elemente der Erzeugung, Vernichtung und Umwandlung in den "Fusionsöfen" der Sterne unterworfen sind?

Abbildung 1: Die beobachtete Lithium-7 Häufigkeit in galaktischen Sternen als Funktion des Metallgehalts. Die Häufigkeit ist in einem logarithmischen Massstab gegeben: ein Wert von 2 bzw. 3 entspricht einer Häufigkeit von 100 bzw. 1000 Lithium-Atomen pro 1 Billion Wasserstoff-Atomen. Die Metallskala ist ebenfalls logarithmisch und bezieht sich auf die Eisenhäufigkeit relativ zu der in der Sonne. Die Sonne (symbolisiert durch den Stern) hat somit definitionsgemäss einen Wert von 0; die metallärmsten Sterne mit einem Wert von -3 besitzen nur 1/1000 der solaren Metallhäufigkeit. Die Beobachtungsdaten stammen aus verschiedenen Quellen und wurden von Dr. S.G. Ryan (The Open University, Milton Keynes, England) freundlicherweise zur Verfügung gestellt. Das mittlere Niveau des Lithium-Plateaus ist durch die durchgezogene blaue Linie markiert, die gestrichelten Linien grenzen die Streuung um den Mittelwert ein.

Abbildung 1 zeigt Beobachtungsdaten von Lithium-7 als Funktion des gesamten Metallgehalts galaktischer Sterne. Unter "Metallen" verstehen Astrophysiker alle Elemente ausser Wasserstoff und Helium. Die Metallizitäts-Skala entspricht grob einer Alters-Skala: Die ältesten Sterne finden wir im linken Bereich bei sehr niedrigem, vor relativ kurzer Zeit entstandene Sterne rechts, bei hohem Metallgehalt. Dort befindet sich auch unsere Sonne, die eigens gekennzeichnet ist. Auf der rechten Seite sehen wir eine sehr starke Variation des Lithium-Gehalts. Das ist das Ergebnis der verschiedenen Kernprozesse in Sternen, die zur Erzeugung und Vernichtung von Lithium-7 führen.

Daher ist es umso erstaunlicher, dass im linken Teil der Abbildung ein konstanter Lithium-Gehalt erreicht wird, und die Streuung um diesen sehr klein ist. Die direkteste Interpretation dieses "Lithium-Plateus" ist, dass es sich hier um den gesuchten primordialen Gehalt handelt. Das ist auch im Hinblick auf die Tatsache plausibel, dass die entsprechenden Sterne als die ältesten Objekte in unserer Milchstrasse nicht lange nach dem Urknall entstanden sind.

Der Lithium-7 Wert des Plateaus entspricht nun einer bestimmten Baryonen-Dichte im Universum. Dieser Wert ist aber niedriger als der, den man benötigen würde, um die Menge an Deuterium im Urknall zu erzeugen, die man auf völlig andere Art und Weise und in ganz anderen Objekten bestimmen kann. Ausserdem ist dieser Wert noch sehr viel niedriger als derjenige, den man aus der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung (siehe Highlight vom August 2000) erhält. Wie kann man diese Diskrepanz zwischen den verschiedenen Ergebnissen bereinigen?

Abbildung 2: Wie Abbildung 1, wobei aber der Lithium-7 Gehalt der theoretischen Sternmodelle gezeigt ist. Gezeigt sind etwa 60 metallarme Sterne, wie sie auch in einer typischen Beobachtungsserie gemessen würden. Wie in Abbildung 1 sind mittlerer Wert und Streuung durch blaue Linien angedeutet. Die Plateau-artige Struktur ist klar sichtbar, obwohl auch einige Sterne Lithium-Häufigkeiten unterhalb des Plateaus haben. Dies sind die Sterne, in denen Sedimentation zu einer starken Herabsetzung des Oberflächenwertes geführt hat. Vergleicht man mit Abbildung 1, erkennt man, dass auch in den Beobachtungsdaten solche Ausreisser zu finden sind.

Eine mögliche Lösung wurde nun von M. Salaris (Liverpool John Moores University und MPA) und A. Weiss (MPA) gefunden. Die beiden Wissenschaftler haben die modernsten Sternmodelle benutzt, um Sterne des Lithium-Plateaus und die Entwicklung von Lithium-7 zu berechnen. Die Physik dieser Sterne beinhaltet auch das langsame Absinken schwererer Elemente von der Oberfläche ins Sterninnere (Sedimentation). Dadurch sinkt der Lithium-7 Gehalt an der Oberfläche, der durch die Beobachtungen gemessen wird, ab; allerdings ist der Effekt von Stern zu Stern wegen der unterschiedlichen Masse, chemischen Zusammensetzung, und des unterschiedlichen Alters der Sterne verschieden stark. Ausgehend von ihren Modellen simulierten die Autoren dann beobachtbare Eigenschaften (siehe Abbildung 2) und konnten zeigen, dass unter den derzeit gültigen Bedingungen für die Beobachtungen die Verminderung der Lithium-Oberflächenhäufigkeit doch für alle beobachteten Sterne beinahe konstant ist, so dass die Plateau-artige Struktur erhalten bleibt. Nur am metallärmsten Ende der Abbildung 2 zeigen sich einige wenige Sterne, deren Lithium-7 Gehalt stark unterhalb des Plateauwertes liegt. Das aber ist auch in den realen Beobachtungsdaten der Fall. Die Autoren sagen auch vorher, dass bei der Beobachtung von ca. 200 Sternen das unterschiedliche Absinken des Lithium-7 klar sichtbar werden sollte, und das Plateau nicht mehr länger existieren sollte.

Da das Absinken der Lithium-Oberflächenheeufigkeit aus den Modellen quantitativ bekannt ist, kann man nun daraus und aus dem Lithium-7-Wert des beobachteten Plateaus die primordiale Lithium-Häufigkeit rückrechnen. Der erhaltene Wert ist etwa doppelt so hoch wie der des Plateaus selbst und entspricht einer Baryonen-Dichte im Universum, die genauso hoch ist wie die aus den Deuterium-Beobachtungen. Sie liegt ausserdem innerhalb des Bereichs, den erst kürzlich analysierte Messungen des Mikrowellenhintergrunds erlauben. Die neuen Modelle lösen damit den Konflikt der unterschiedlichen Baryonendichten.

Die ältesten Sterne und die modernsten Sternmodell-Rechnungen zusammen erlauben somit wertvolle Rückschlüsse über die Bedingungen im Urknall und über die Zusammensetzung der Materie unseres Universums.


Achim Weiss




Weitere Informationen:
  • M. Salaris and A. Weiss, Atomic diffusion in metal-poor stars II. Predictions for the Spite plateau, Preprint MPA-1355e

Pressedienst |

Weitere Berichte zu: Beobachtungsdaten Häufigkeit Lithium-7 Urknall

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Der überraschend schnelle Fall des Felix Baumgartner
14.12.2017 | Technische Universität München

nachricht Eine blühende Sternentstehungsregion
14.12.2017 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Immunsystem - Blutplättchen können mehr als bislang bekannt

LMU-Mediziner zeigen eine wichtige Funktion von Blutplättchen auf: Sie bewegen sich aktiv und interagieren mit Erregern.

Die aktive Rolle von Blutplättchen bei der Immunabwehr wurde bislang unterschätzt: Sie übernehmen mehr Funktionen als bekannt war. Das zeigt eine Studie von...

Im Focus: First-of-its-kind chemical oscillator offers new level of molecular control

DNA molecules that follow specific instructions could offer more precise molecular control of synthetic chemical systems, a discovery that opens the door for engineers to create molecular machines with new and complex behaviors.

Researchers have created chemical amplifiers and a chemical oscillator using a systematic method that has the potential to embed sophisticated circuit...

Im Focus: Nanostrukturen steuern Wärmetransport: Bayreuther Forscher entdecken Verfahren zur Wärmeregulierung

Der Forschergruppe von Prof. Dr. Markus Retsch an der Universität Bayreuth ist es erstmals gelungen, die von der Temperatur abhängige Wärmeleitfähigkeit mit Hilfe von polymeren Materialien präzise zu steuern. In der Zeitschrift Science Advances werden diese fortschrittlichen, zunächst für Laboruntersuchungen hergestellten Funktionsmaterialien beschrieben. Die hiermit gewonnenen Erkenntnisse sind von großer Relevanz für die Entwicklung neuer Konzepte zur Wärmedämmung.

Von Schmetterlingsflügeln zu neuen Funktionsmaterialien

Im Focus: Lange Speicherung photonischer Quantenbits für globale Teleportation

Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Quantenoptik erreichen mit neuer Speichertechnik für photonische Quantenbits Kohärenzzeiten, welche die weltweite...

Im Focus: Long-lived storage of a photonic qubit for worldwide teleportation

MPQ scientists achieve long storage times for photonic quantum bits which break the lower bound for direct teleportation in a global quantum network.

Concerning the development of quantum memories for the realization of global quantum networks, scientists of the Quantum Dynamics Division led by Professor...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Call for Contributions: Tagung „Lehren und Lernen mit digitalen Medien“

15.12.2017 | Veranstaltungen

Die Stadt der Zukunft nachhaltig(er) gestalten: inter 3 stellt Projekte auf Konferenz vor

15.12.2017 | Veranstaltungen

Mit allen Sinnen! - Sensoren im Automobil

14.12.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Weltrekord: Jülicher Forscher simulieren Quantencomputer mit 46 Qubits

15.12.2017 | Informationstechnologie

Wackelpudding mit Gedächtnis – Verlaufsvorhersage für handelsübliche Lacke

15.12.2017 | Verfahrenstechnologie

Forscher vereinfachen Installation und Programmierung von Robotersystemen

15.12.2017 | Energie und Elektrotechnik