Kohlenstoff-Synthese in Sternen (Nachtrag zum Vortrag)

Kohlenstoff-Synthese

Die Kohlenstoff-Synthese ist ein fundamentaler Schlüssel-Prozess in der Evolution des Universums und der Strukturen in ihm. Über diesen Prozess wird die Synthese weiterer Elemente, die schwerer als Helium sind, ermöglicht. Ohne diese Elemente gäbe es keine massearmen Sterne wie die Sonne sowie keine Planeten, kein Leben und keine Beobachter, die sich darüber wundern könnten, dass es sie überhaupt gibt.

Im Zuge der Entstehung des Universums infolge der Expansion aus einem extrem dichten und extrem heißen Zustand heraus, erfolgte lediglich die Entstehung von Wasserstoff und Helium sowie Spuren von Lithium. Die zur Synthese weiterer Elemente nötigen Temperatur- und Druckverhältnisse hielten im Verlauf der Expansion nicht lange genug an, so dass die Synthese-Prozesse zum Erliegen kamen. Erst einige Millionen Jahre später, nachdem die nun vorhandenen Gaswolken genügend abgekühlt waren, entstanden die ersten Sterne infolge des Kollapses einzelner Gaswolken zu Globulen. Aufgrund des Jeans-Kriteriums waren die ersten Sterne sehr massereich. Sie vereinigen in sich mehrere Hundert Sonnenmassen, so dass sie dementsprechend rasch ihren nuklearen Brennstoff verbrauchten.

Der primäre Prozess der Energie-Erzeugung in Sternen ist der Proton-Proton-Prozess, über den aus Wasserstoff-Kernen (Protonen) letztlich Helium-Kerne (Alpha-Teilchen) entstehen. Je massereicher ein Stern ist, um so effizienter läuft dieser Prozess ab, so dass bei den ersten Sternen eine sehr hohe Umsatzrate von Wasserstoff zu Helium stattgefunden hat. Binnen weniger Millionen Jahre war daher der Wasserstoff-Vorrat in der Kernregion des Sterns aufgebraucht. Das entstandene Helium reicherte sich im Zentrum an, während sich die Zone des "Wasserstoff-Brennens" - also der Bereich, in dem der Proton-Proton-Prozess als Kernfusion ablief - als Schale um den Kern anordnete.

Im Verlauf dieser Phase des "Schalen-Brennens" wurden die darüber liegenden Schichten des Sterns nach außen gedrückt, weil sich die Fläche der Energieabstrahlung aus dem Kern vergrößerte. Der Stern blähte sich somit auf und die äußersten Schichten kühlten dabei ab. Da zwischen Temperatur und Farbe des Sternlichts ein kausaler Zusammenhang besteht, färbte sich die Sternoberfläche zunehmend gelb, orange und später rot. Auf diese Weise war aus dem Stern ein Roter Riese geworden.

Der verursachende Strahlungsdruck wirkte jedoch nicht nur nach außen, sondern auch nach innen in den Kern, wo sich das entstandene Helium angereichert hatte. Mangels Ausweichmöglichkeiten wurde das Helium verdichtet, so dass zugleich die Temperatur anstieg. Mit dem Erreichen einer Temperatur von etwa 100 Millionen Kelvin wurde die Coloumb-Barriere überschritten, die üblicherweise die Fusion von Atomkernen infolge der abstoßenden Wirkung gleicher elektrischer Ladungen verhindert. Somit war die Fusion von Helium-Kernen möglich geworden.

Problematisch für die weiteren Synthese-Prozesse erweisen sich nun die Eigenschaften der auf Helium folgenden Kerne. Aus der Fusion von zwei Helium-Kernen ergibt sich ein Beryllium-Kern mit 8 Nukleonen. Nukleonen sind die Elementarteilchen, aus denen sich ein Atomkern zusammensetzt. Je nach Anzahl der Nukleonen bezeichnet man die entsprechenden Atomkerne mit dem chemischen Element-Symbol und der beigefügten Nukleonen-Zahl. Wasserstoff ist dann H-1, Helium He-4 und Beryllium Be-8.

Beryllium-8 ist instabil. Es zerfällt nach etwa 10-16 Sekunden (das ist eine 10-Billiardstel-Sekunde!) wieder in die zwei Helium-4-Kerne, aus denen es zuvor entstanden war. Der nächste stabile Kern ist Kohlenstoff-12. Damit er entstehen kann, müssen drei Helium-4-Kerne zugleich aufeinandertreffen. Das ist jedoch höchst unwahrscheinlich, so dass die extrem kurze Zerfallszeit des Beryllium-8-Kerns ausgenutzt werden muss, um Kohlenstoff-12 zu erzeugen.

Bei einer durchschnittlichen Stoßzeit von etwa 10-20 Sekunden pro Kern und Ereignis ergibt sich, dass sich im Verlauf der Zerfallszeit von Beryllium-8 etwa 10.000 Stöße mit einem weiteren Helium-4-Kern ereignen können. Die daraus entstehenden Kohlenstoff-12-Kerne befinden sich zunächst in einem angeregten Zustand. Das bedeutet, dass sich die Nukleonen in einem Schwingungszustand befinden, so dass sich der Kern auf einem erhöhten Energie-Niveau befindet. Über zwei Schritte erfolgt dann das Erreichen des stabilen Grundzustands, wobei zwei Photonen als Energie abgegeben werden. Erst im Grundzustand kann sich der erzeugte Kohlenstoff als Element anreichern.

Als Engpass erweist sich bei diesem Prozess die Verweildauer des angeregten Zustands von Kohlenstoff-12. Hierbei sind die Energien entscheidend. Der angeregte Zustand setzt sich aus drei Helium-4-Kernen zusammen, wobei zwei davon bereits zuvor zu Beryllium-8 fusioniert sind. Der Schwingungszustand dieses angeregten Kerns wird als Resonanz bezeichnet. Resonanzen stabilisieren den Kern, so dass im Nachgang die eigentliche Fusion erfolgen kann. Erst nach der Fusion gelangt der Kern in den Grundzustand.

Bei Kohlenstoff-12 ist es nun zufällig so, dass sich der Resonanz-Zustand bei einer Energie einstellt, die der Energie von Beryllium-8 plus Helium-4 plus der Stoßenergie entspricht. Diese Kohlenstoff-Resonanz liegt bei etwa 7,65 MeV und wurde 1954 von Fred Hoyle vorhergesagt, was später experimentell bestätigt wurde. Würde diese Resonanz nennenswert verfehlt werden, könnte kein (oder nur äußerst wenig) Kohlenstoff-12 entstehen, da infolge ausbleibender Resonanz keine Fusion von Beryllium-8 mit Helium-4 möglich wäre. Die Fusionsprozesse im Stern würden dann über Helium-4 nicht hinauskommen.

Da die Resonanz aber vorhanden ist (sie dürfte nur maximal um 4 Prozent vom tatsächlichen Wert verschoben sein!), kann sich Kohlenstoff anreichern und für weitere Fusionsprozesse zur Verfügung stehen. Der Folgeprozess wäre dann die Fusion mit einem weiteren Helium-4-Kern zu Sauerstoff-16. Auch hier gibt es in der Nähe eine Sauerstoff-Resonanz, die diese Fusion zulässt. Allerdings liegt hier der Wert etwas tiefer als die Summe aus Kohlenstoff-12 und Helium-4, so dass unter Hinzunahme der Stoßenergie das Fusionsfenster knapp verfehlt wird. Läge der Resonanzwert nur um 1 Prozent höher, würde sämtlicher Kohlenstoff umgehend weiter zu Sauerstoff fusioniert werden, so dass er sich nicht hätte anreichern können!

Der Weg, der dazu führt, dass Kohlenstoff entsteht und am Ende auch bestehen bleibt, um hernach als Grundsubstanz für Lebewesen bereitzustehen, verläuft ausschließlich durch das aufgezeigte schmale Fenster zwischen den beiden Resonanzen, die sich unter den Bedingungen im Innern von Roten Riesensternen ergeben. Wären die Verhältnisse ein wenig anders, wäre niemand da, der sich darüber wundern könnte.

Noch befindet sich der Kohlenstoff allerdings im Innern des Sterns. Mit dem Erreichen des Roter-Riese-Stadiums und dem beschriebenen "Helium-Brennen", bei dem durch Fusion von drei Helium-4-Kernen (also drei Alpha-Teilchen) Kohlenstoff entsteht, beschleunigt sich die Sternentwicklung. Kohlenstoff-12 steht nun als Katalysator für den sogenannten CNO-Prozess zur Verfügung, bei dem wiederum Helium-4 als Endprodukt entsteht. Dabei wird Wasserstoff über einen mehrschrittigen Prozess zunächst mit Kohlenstoff-12 zu Stickstoff-14 und darauf folgend zu Sauerstoff-16 fusioniert, der dann Helium-4 wieder abspaltet, so dass erneut Kohlenstoff-12 als Katalysator zur Verfügung steht.

Auf diese Weise ergibt sich neben dem Proton-Proton-Prozess eine weitere Energiequelle für den Stern, die ihrerseits Wasserstoff verbraucht und Helium erzeugt. Die Ressourcen des Sterns werden dadurch binnen kürzerer Zeit aufgebraucht, so dass damit zugleich weitere Fusionsprozesse im Kern des Sterns ausgelöst werden. Bei hinreichender Masse erfolgt die Fusion bis hin zum Eisen als schwerstem Element. Da Eisen nicht weiter unter Energieabgabe fusionieren kann, der Druck und die Temperatur aber infolge des Schalenbrennens immer mehr zunehmen, kollabiert der Kern und löst eine Supernova aus, die die äußeren Schichten des Sterns in den umgebenden Raum explosionsartig abstößt.

Mit den abgestoßenen Schichten des nunmehr ehemaligen Sterns gelangen auch die bis dahin erzeugten schwereren Elemente in das interstellare Medium und reichern dieses damit an. Das mit schwereren Elementen angereicherte Medium besitzt andere physikalische Eigenschaften als das medium, aus dem die ersten Sterne entstanden sind. Insbesondere die Verbindung von Kohlenstoff mit Sauerstoff - das Kohlenstoff-Monoxid - wirkt kühlend auf eine kollabierende Gaswolke, so dass infolge des Jeans-Kriteriums Sterne nunmehr geringere Massen aufweisen können.

Auch die Sonne wäre gemäß Jeans-Kriterium nicht entstanden, wenn es keine schwereren Elemente in der Gaswolke gegeben hätte, aus der sie dann tatsächlich entstanden ist. Als Nebenprodukt der Sternentstehung sind nun auch Planeten möglich, die ja ihrerseits aus schwereren Elementen wie Eisen oder Silizium bestehen, welche zuvor im Innern von Riesensternen durch Fusion entstanden sind. Wir selber bestehen aus vielfältigen Kohlenstoffverbindungen, die durch ihr Zusammenspiel als Stoffwechsel Leben ermöglichen. Und die Luft, die wir einatmen, besteht mit 78 Prozent Stickstoff und 21 Prozent Sauerstoff zu 99 Prozent aus Sternenstaub. Wir sind Sternenstaub, der über die Sterne nachdenkt (Carl Sagan).