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Astrophysiker werfen einen tiefen Blick in die Sonne – und werden reich belohnt

Seit achtzig Jahren vermutet man, dass es in Sternen nicht nur einen Weg gibt, Wasserstoff zu Helium zu verschmelzen. Mit einem unterirdischen Neutrinodetektor haben Forscher jetzt den Beweis erbracht.

Die Sonne brennt und brennt und brennt. Zu einem kleinen Teil ist das einer Fusionsreaktion zu verdanken, die jetzt erstmals nachgewiesen wurde. Das Bild zeigt eine Sonneneruption.

Die Sonne brennt und brennt und brennt. Zu einem kleinen Teil ist das einer Fusionsreaktion zu verdanken, die jetzt erstmals nachgewiesen wurde. Das Bild zeigt eine Sonneneruption.

Nasa / SDO

Unsere Sonne ist ein ganz gewöhnlicher Stern. Wie alle Sterne leuchtet sie, weil in ihrem Inneren Wasserstoff zu Helium verbrennt. Allerdings unterscheidet sich die Sonne in einem zentralen Punkt von Sternen, die massereicher und heisser sind als sie. Das Wasserstoffbrennen erfolgt in der Sonne fast ausschliesslich über den sogenannten Proton-Proton-Zyklus. Bereits in den 1930er Jahren wurde postuliert, dass es daneben noch einen anderen Zyklus geben müsse, der massereiche Sterne befeuert. Auch in der Sonne lodert diese Art des Feuers, allerdings auf Sparflamme. Deshalb konnte der alternative Zyklus bis heute auch noch nicht nachgewiesen werden. Mit einem unterirdischen Teilchendetektor in den Abruzzen ist es einer internationalen Arbeitsgruppe nun erstmals gelungen, einen experimentellen Beweis für diesen fundamentalen Fusionsprozess zu finden.

Ein Kreisprozess wird postuliert

Der CNO-Zyklus wurde von den beiden Physikern Carl Friedrich von Weizsäcker und Hans Bethe postuliert. Der Name rührt daher, dass die chemischen Elemente Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff in einem Kreisprozess die Verschmelzung von Wasserstoff zu Helium katalysieren. Obwohl dieser Zyklus in der Sonne eine untergeordnete Rolle spielt, ist unser Muttergestirn der einzige Stern, bei dem zumindest eine kleine Chance besteht, die Vorhersage der beiden Physiker zu überprüfen.

Wie aus vier Wasserstoffatomen ein Heliumatom wird

Wie aus vier Wasserstoffatomen ein Heliumatom wird

Das Problem besteht darin, dass sich das Wasserstoffbrennen tief im Inneren der Sonne abspielt und deshalb nicht direkt beobachtet werden kann. Dass wir heute dennoch ein relativ gutes Bild davon haben, welche Fusionsprozesse dort ablaufen, haben wir den Neutrinos zu verdanken. Diese fast masselosen Teilchen entstehen sowohl im Proton-Proton- als auch im CNO-Zyklus. Da sie kaum mit Materie wechselwirken, bahnen sie sich mühelos einen Weg nach aussen und erreichen so auch die Erde.

Jeder Quadratzentimeter der Erdoberfläche wird pro Sekunde von 60 Milliarden Neutrinos getroffen. Und trotzdem merken wir so gut wie nichts davon. Denn nur ganz selten stösst ein Neutrino auf das Elektron eines Atoms. Deshalb bauen Physiker voluminöse Detektoren, um wenigstens eine Handvoll dieser geisterhaften Teilchen zu erhaschen. Diese werden in unterirdischen Laboratorien aufgestellt, damit die Messergebnisse nicht von Myonen und anderen Teilchen der kosmischen Strahlung verfälscht werden.

Einer dieser Detektoren ist der Borexino-Detektor. Er steht im Gran-Sasso-Labor in der Nähe von Rom und ist durch 1400 Meter Fels von der kosmischen Strahlung abgeschirmt. Mit diesem Neutrino-Detektor hat eine internationale Arbeitsgruppe in den letzten Jahren minuziös die verschiedenen Schritte des dominanten Proton-Proton-Zyklus rekonstruiert. Es gelang ihr jedoch nicht, die wenigen zusätzlichen Neutrinos nachzuweisen, die auf das Konto des CNO-Zyklus gehen.

Schon vor einigen Jahren hat die Borexino-Arbeitsgruppe deshalb einen Anlauf unternommen, ihren Detektor noch empfindlicher zu machen. Die Forscher haben vor allem mit radioaktiven Verunreinigungen im Detektor zu kämpfen. Zerfallen diese Isotope, können sie im Detektor ein Signal erzeugen, das dem eines Neutrinos zum Täuschen ähnlich sieht.

Das Innere des Borexino-Detektors ist mit einer ultrareinen Flüssigkeit gefüllt, die aufblitzt, wenn ein Neutrino an einem Elektron gestreut wird.

Das Innere des Borexino-Detektors ist mit einer ultrareinen Flüssigkeit gefüllt, die aufblitzt, wenn ein Neutrino an einem Elektron gestreut wird.

Borexino Collaboration

Probleme bereitet vor allem das Radioisotop Bismut-210, das unter Aussendung eines Elektrons in das ebenfalls radioaktive Polonium-210 zerfällt. Für ihr jüngstes Experiment haben die Forscher eine Möglichkeit gefunden, diesen Untergrund zu reduzieren. Indem sie zählen, wie viele Polonium-Isotope zerfallen, können sie auf die Zahl der Bismut-Zerfälle rückschliessen und das Messergebnis entsprechend korrigieren. Das ist aber einfacher gesagt als getan. Temperaturunterschiede im Detektor sorgen nämlich dafür, dass von aussen ständig neues Polonium ins Innere des Detektors diffundiert. Durch eine thermische Stabilisierung des Detektors habe man diesen störenden Konvektionsstrom unterbinden können, sagt Livia Ludhova vom Forschungszentrum Jülich, die eine der Koordinatorinnen des Borexino-Experiments ist.

Der erhebliche Aufwand, den die Forscher in den letzten Jahren betrieben haben, wurde belohnt. Sie konnten die CNO-Neutrinos mit hoher statistischer Signifikanz nachweisen. Aus der Messung folgt, dass etwa ein Prozent aller solaren Neutrinos aus dem CNO-Zyklus stammen. Das bestätige, dass dieser Zyklus auf der Sonne nur eine untergeordnete Rolle spiele, sagt Ludhova. Wichtiger findet sie allerdings, dass man nun erstmals eine experimentelle Bestätigung für jenen Prozess gefunden habe, der die massereichen Sterne im Universum zum Leuchten bringe.

Der Astrophysiker Mark Chen von der Queen’s University in Kingston, Ontario, spricht von einer heroischen Leistung der Borexino-Arbeitsgruppe. Die Messung sei ausserordentlich schwierig. Keine andere Arbeitsgruppe sei einem Nachweis der CNO-Neutrinos auch nur nahe gekommen. Das gilt auch für das Sudbury Neutrino Observatory (SNO), dessen Direktor Chen ist.

Eine Hoffnung hat sich bisher allerdings noch nicht erfüllt. Von einer Vermessung der CNO-Neutrinos versprechen sich Astrophysiker einen Hinweis darauf, wie reich die Sonne mit schweren Elementen – dazu gehören auch Kohlenstoff, Stickstoff oder Sauerstoff – bestückt ist. Hierzu gibt es widersprüchliche Aussagen. Kombiniert man Messungen der Sonnenoberfläche mit Modellen der Sonne, erwartet man eine niedrige Metallizität (für Astrophysiker gelten alle Elemente, die schwerer sind als Helium, als Metalle). Analysiert man hingegen die Eigenschwingungen der Sonne, legt das eine höhere Metallizität nahe.

Anhand der CNO-Neutrinos könne man im Prinzip direkt messen, wie viel Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff im Zentrum der Sonne vorhanden sei, sagt Ludhova. Leider sei die Messung der Borexino-Arbeitsgruppe dafür aber noch nicht genau genug.

Ob sich daran in den nächsten Jahren etwas ändern wird, ist fraglich. Der Borexino-Detektor werde nächstes Jahr abgebaut, sagt Ludhova. Ein Nachfolger sei nicht in Sicht. Eine Antwort traut sie dem SNO+-Experiment in Kanada zu. Nicht nur ist der Detektor grösser als der Borexino-Detektor. Er ist auch durch noch mehr Fels vor der kosmischen Strahlung geschützt. Das seien gute Voraussetzungen, gibt Chen zu. Zuerst einmal müsse seine Arbeitsgruppe jedoch demonstrieren, dass man den Untergrund so gut kontrollieren könne wie die Konkurrenz.

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