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 Forscher studieren molekulare Konversion auf einer Zeitskala von wenigen Femtosekunden
19.10.2017 | Forschungsverbund Berlin e.V.

nachricht Gravitationswellen: Sternenglanz für Jenaer Forscher
19.10.2017 | Friedrich-Schiller-Universität Jena

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: Schmetterlingsflügel inspiriert Photovoltaik: Absorption lässt sich um bis zu 200 Prozent steigern

Sonnenlicht, das von Solarzellen reflektiert wird, geht als ungenutzte Energie verloren. Die Flügel des Schmetterlings „Gewöhnliche Rose“ (Pachliopta aristolochiae) zeichnen sich durch Nanostrukturen aus, kleinste Löcher, die Licht über ein breites Spektrum deutlich besser absorbieren als glatte Oberflächen. Forschern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es nun gelungen, diese Nanostrukturen auf Solarzellen zu übertragen und deren Licht-Absorptionsrate so um bis zu 200 Prozent zu steigern. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler nun im Fachmagazin Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.1700232

„Der von uns untersuchte Schmetterling hat eine augenscheinliche Besonderheit: Er ist extrem dunkelschwarz. Das liegt daran, dass er für eine optimale...

Im Focus: Schnelle individualisierte Therapiewahl durch Sortierung von Biomolekülen und Zellen mit Licht

Im Blut zirkulierende Biomoleküle und Zellen sind Träger diagnostischer Information, deren Analyse hochwirksame, individuelle Therapien ermöglichen. Um diese Information zu erschließen, haben Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT ein Mikrochip-basiertes Diagnosegerät entwickelt: Der »AnaLighter« analysiert und sortiert klinisch relevante Biomoleküle und Zellen in einer Blutprobe mit Licht. Dadurch können Frühdiagnosen beispielsweise von Tumor- sowie Herz-Kreislauf-Erkrankungen gestellt und patientenindividuelle Therapien eingeleitet werden. Experten des Fraunhofer ILT stellen diese Technologie vom 13.–16. November auf der COMPAMED 2017 in Düsseldorf vor.

Der »AnaLighter« ist ein kompaktes Diagnosegerät zum Sortieren von Zellen und Biomolekülen. Sein technologischer Kern basiert auf einem optisch schaltbaren...

Im Focus: Neue Möglichkeiten für die Immuntherapie beim Lungenkrebs entdeckt

Eine gemeinsame Studie der Universität Bern und des Inselspitals Bern zeigt, dass spezielle Bindegewebszellen, die in normalen Blutgefässen die Wände abdichten, bei Lungenkrebs nicht mehr richtig funktionieren. Zusätzlich unterdrücken sie die immunologische Bekämpfung des Tumors. Die Resultate legen nahe, dass diese Zellen ein neues Ziel für die Immuntherapie gegen Lungenkarzinome sein könnten.

Lungenkarzinome sind die häufigste Krebsform weltweit. Jährlich werden 1.8 Millionen Neudiagnosen gestellt; und 2016 starben 1.6 Millionen Menschen an der...

Im Focus: Sicheres Bezahlen ohne Datenspur

Ob als Smartphone-App für die Fahrkarte im Nahverkehr, als Geldwertkarten für das Schwimmbad oder in Form einer Bonuskarte für den Supermarkt: Für viele gehören „elektronische Geldbörsen“ längst zum Alltag. Doch vielen Kunden ist nicht klar, dass sie mit der Nutzung dieser Angebote weitestgehend auf ihre Privatsphäre verzichten. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entsteht ein sicheres und anonymes System, das gleichzeitig Alltagstauglichkeit verspricht. Es wird nun auf der Konferenz ACM CCS 2017 in den USA vorgestellt.

Es ist vor allem das fehlende Problembewusstsein, das den Informatiker Andy Rupp von der Arbeitsgruppe „Kryptographie und Sicherheit“ am KIT immer wieder...

Im Focus: Neutron star merger directly observed for the first time

University of Maryland researchers contribute to historic detection of gravitational waves and light created by event

On August 17, 2017, at 12:41:04 UTC, scientists made the first direct observation of a merger between two neutron stars--the dense, collapsed cores that remain...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Das Immunsystem in Extremsituationen

19.10.2017 | Veranstaltungen

Die jungen forschungsstarken Unis Europas tagen in Ulm - YERUN Tagung in Ulm

19.10.2017 | Veranstaltungen

Bauphysiktagung der TU Kaiserslautern befasst sich mit energieeffizienten Gebäuden

19.10.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Mehl-Mülhens-Stiftung mit Gestüt Röttgen beauftragt tisoware

19.10.2017 | Unternehmensmeldung

Die jungen forschungsstarken Unis Europas tagen in Ulm - YERUN Tagung in Ulm

19.10.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Was winzige Strukturen über Materialeigenschaften verraten

19.10.2017 | Materialwissenschaften