Europium ist der Schlüssel zum Verständnis der Entstehung der schweren Elemente durch den schnellen Neutronen­einfang­prozess. Dieser r-Prozess ist entscheidend sowohl für die Bildung der Hälfte der Elemente, die schwerer sind als Eisen, als auch für das gesamte Vorkommen an Thorium und Uran im Universum. Die EUROPIUM-Gruppe hat theoretische astro­physikalische Simulationen mit Beobachtungen der ältesten Sterne in unserer Galaxie und in Zwerg­galaxien kombiniert. Letztere sind kleine, von dunkler Materie dominierte Galaxien, die um unsere Galaxie kreisen. Zwerg­galaxien sind exzellente Test­objekte für die Unter­suchung des r-Prozesses, da einige der ältesten metall­armen Sterne eine Über­häufig­keit von r-Prozess-Elementen aufgewiesen haben. Studien haben sogar postuliert, dass nur ein einziges neutronen­reiches Ereignis für diese Anreicherung in den kleinsten Zwerg­galaxien verantwortlich sein könnte.

Mit ihrer neuen Entdeckung ist es den Forschern gelungen, den höchsten jemals beobachteten Europium-Gehalt zu bestimmen – und sie haben einen neuen Namen für diese Sterne geprägt: „Europium-Sterne“. Diese Sterne gehören zur Zwerggalaxie Fornax – einer sphäroidischen Zwerggalaxie mit einem hohen Sterngehalt. Das Team berichtet außerdem über die erste Beobachtung von Lutetium in einer Zwerggalaxie und der größten Stichprobe von beobachtetem Zirconium.

Die „Europium-Sterne“ in Fornax wurden kurz nach einer explosiven Produktion schwerer Elemente geboren. Aufgrund der hohen stellaren Metall­häufig­keit muss das extreme r-Prozess-Ereignis erst vor vier bis fünf Milliarden Jahren stattgefunden haben. Das ist ein sehr seltener Fund, da die meisten europium­reichen Sterne viel älter sind. Daher geben die Europium-Sterne Einblicke in den Ursprung der Elemente im Universum zu einem sehr spezifischen und späten Zeitpunkt.

Schwere Elemente entstehen durch den r-Prozess bei der Verschmelzung zweier Neutronen­sterne oder beim explosiven Ende masse­reicher Sterne mit starken Magnet­feldern. Die EUROPIUM-Gruppe hat diese beiden hoch­energetischen Ereignisse analysiert und detaillierte Studien zur Element­produktion in diesen Umgebungen durchgeführt. Aufgrund der immer noch großen Unsicher­heiten in den kern­physi­ka­lischen Angaben ist es jedoch nicht möglich, die schweren Elemente in den „Europium-Sternen“ eindeutig einer dieser astro­physi­ka­lischen Umgebung zuzuordnen. Zukünftige Experimente im neuen Beschleuniger­zentrum FAIR am GSI-Helmholtz­zentrum für Schwer­ionen­forschung in Darmstadt werden diese Unsicher­heiten deutlich reduzieren.

Darüber hinaus wird das neue Cluster­projekt ELEMENTS in einzig­artiger Weise Simulationen von Neutronen­stern­verschmelzungen, Nukleo­synthese-Berechnungen mit den neuesten experi­men­tellen Informationen und Beobachtungen kombinieren, um die seit langem bestehende Frage zu untersuchen: Wo und wie werden schwere Elemente im Universum produziert?

TU Darmstadt / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  M. Reichert et al.: Extreme r-process Enhanced Stars at High Metallicity in Fornax, Astroph. J. 912, 157 (2021); DOI: 10.3847/1538-4357/abefd8
• The origin of heavy elements: a nuclear physics and astrophysics challenge – EUROPIUM-Gruppe, Europäische Kommission