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Astrophysiker finden Hinweise auf die Erzeugung des relativ seltenen Elements Fluor

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Einem amerikanisch-deutschen Astrophysikerteam ist erstmals der Nachweis von Fluor in den Spektren einer exotischen Gruppe von Zentralsternen Planetarischer Nebel gelungen.

Als sich vor 13,7 Milliarden Jahren der Urknall ereignete, gab es zunächst nur die beiden Elemente Wasserstoff und Helium im Universum, alle anderen Elemente des PSE (Perioden System der Elemente) sind erst später durch die Kernfusionprozesse innerhalb der ersten Sterngeneration entstanden.

Dabei kann durch die Drücke im Inneren eines sonnenähnlichen Sterns maximal Eisen entstehen, erst wenn ein wesentlich massereicherer Stern seinen Kernbrennstoff aufgebraucht hat und in einer Supernova Explosion vergeht, können auch die höheren Elemente des PSE gebildet werden.

Die erste Sterngeneration bestand allerdings nicht aus sonnenähnlichen Sternen, sondern aus Riesen Sternen, die durch ihren Tod das interstellare Medium mit Rohstoffen anreicherten. Deshalb sind auch noch heute Wasserstoff mit 70 % und Helium mit 28 % die häufigsten Elemente in unserer Nachbarschaft, lediglich 2 % gehören zu den schwereren Elementen.  

Doch die Herkunft des Fluors war bisher noch weit gehend unbekannt. Es ist ein sehr seltenes Element und unter rund 25 Millionen Wasserstoffatomen findet man nur ein Fluoratom. Während fast alle chemischen Elemente auch in anderen Sternen nachgewiesen wurden, war jedoch unser eigenes Sonnensystem für lange Zeit der einzige Ort in unserer Milchstraße, an dem Fluor nachgewiesen und seine Häufigkeit gemessen werden konnte. Ein Rätsel blieb lange, wo das Fluor überhaupt erzeugt wird.

Die beiden Bilder zeigen den Planetarische Nebel NGC 246 und sein Zentralstern, in dem eine extrem hohe Fluoranreicherung gefunden wurde. Das untere Bild ist eine Falschfarbenaufnahme des Spitzer Weltraumteleskops.

Dem amerikanischen Astrophysiker Prof. Klaus Werner von der Johns Hopkins University und dem deutschen Astrophysiker Dr. Thomas Rauch vom Institut für Astronomie und Astrophysik der Universität Tübingen gelang es nun, Fluor indem Spektrum massearmer Sterne, die vor noch etwa 10 000 Jahren Rote Riesensterne waren, nachzuweisen.

1992 gelang erstmalig einer amerikanischen Forschergruppe der Nachweis von Fluorwasserstoff-Molekülen in Infrarotspektren von Roten Riesensternen. Eine genaue Analyse ergab für manche dieser Sterne eine Fluorhäufigkeit, die deutlich über der kosmischen Häufigkeit liegt. Damit war erstmals klar, dass Fluor im Inneren von Roten Riesensternen erzeugt wird. Auch unsere Sonne wird sich in etwa vier Milliarden Jahren auf das 100-fache ihrer heutigen Größe aufblähen und zu einem Roten Riesen werden. Im Inneren fusionieren diese Sterne Wasserstoff zu Helium und, weiter außen, Helium zu Kohlenstoff. Theoretische Rechnungen zeigen, dass die Region, in der Helium zu Kohlenstoff fusioniert wird („heliumbrennende“ Region), auch der Entstehungsort von Fluor ist. In einer komplizierten Reaktion entsteht aus vorhandenem Stickstoff (durch Anlagerung von zwei Heliumatomen) das Fluor. Allerdings ist Fluor ein Element, das leicht wieder zerstört werden kann, so dass die Effektivität der Fluorproduktion in massearmen Sternen noch unklar ist. Ein weiteres Problem besteht darin, wie es der Stern schafft, eventuell produziertes Fluor vom Inneren an die Oberfläche zu bringen, so dass es dann von dort durch einen Sternwind in den kosmischen Materiekreislauf eingespeist werden kann.

Auch wegen dieses Problems werden noch zwei andere „kosmische Produktionsstätten“ von Fluor diskutiert. Auch massereiche Sterne haben im Inneren eine heliumbrennende Region, in der Zustände herrschen, die der Produktionsstätte von Fluor in massearmen Sternen ähneln. Im Gegensatz zu ihren „leichten“ Geschwistern haben die schweren Sterne (so genannte Wolf-Rayet-Sterne) kein Problem, das produzierte Fluor an die Oberfläche zu schaffen. Sie verlieren im Laufe ihres Lebens so viel Materie durch starke Sternwinde, dass die Regionen, in denen Fluor produziert wurde, schließlich freigelegt werden und das Fluor dann mit dem Sternwind in den Weltraum fort getragen werden kann. Die zweite Alternative zur Fluorproduktion ist deutlich exotischer. Bei der Supernovaexplosion von massereichen Sternen am Ende ihres Lebens kommt es durch Kernspaltung von Neon (durch Neutrinos) zur Bildung von Fluor. Obwohl der direkte Nachweis von Fluor in massereichen Sternen bis heute fehlt, glaubt man, dass die Wolf-Rayet-Sterne die Hauptproduzenten des Fluors, das sich heute im Universum befindet, waren beziehungsweise noch sind.

Die massearmen Sterne, in deren Spektren das deutsch-amerikanische Team von Astrophysikern Fluor nachgewiesen hat, zeigen eine sehr ungewöhnliche chemische Zusammensetzung an ihrer Oberfläche. Wasserstoff, das üblicherweise häufigste Element, fehlt völlig. Stattdessen sind Helium und Kohlenstoff die häufigsten Elemente. Man glaubt heute, dass diese Sterne dasjenige Material, das früher die heliumbrennende Region ausmachte, durch eine Instabilität im Fusionszyklus an die Oberfläche geschafft haben. Mit anderen Worten, die Materie, die durch den Fusionsofen erzeugt worden ist und normalerweise im Inneren der Sterne verborgen bleibt, ist nun unseren Blicken frei zugänglich.

Eine genaue Analyse ergab nun, dass die Fluorhäufigkeit in diesen Sternen das bis zu 250-fache des normalen kosmischen Wertes beträgt. Das beweist, dass massearme Sterne auf jeden Fall in der Lage sind, große Mengen an Fluor zu produzieren und anzureichern. Sie dürften deshalb einen erheblichen Anteil an der Fluorproduktion im Universum haben. Wie hoch der Anteil im Vergleich zu den massereichen Sternen ist, ob sie vielleicht sogar die dominanten Fluorproduzenten sind, wird solange unklar bleiben, bis die Entdeckung von Fluor in den „schweren“ Sternen gelingt. Dieser Nachweis wird schwierig sein, aber die Suche nach Fluor in solchen Sternen ist im Gange.

Quelle: Universität Tübingen

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