ForschungSchwere Elemente kommen im Universum vermutlich häufiger vor als gedacht
18. Oktober 2023
Internationales Team von Astronomen liefert neue Erkenntnisse zur Evolution galaktischer Strukturen
Schwere Elemente wie Gold, Silber oder Uran sind im Universum offenbar viel häufiger vertreten als bislang angenommen. Zu diesem Schluss kommt ein internationales Forschungsteam unter Mitwirkung von Wissenschaftlern des Zentrums für Astronomie der Universität Heidelberg, das die astrophysikalischen Prozesse in Sternentstehungsgebieten und insbesondere die chemische Zusammensetzung von sogenannten HII-Regionen untersucht hat. Ungleichmäßige Temperaturverteilungen in diesen wasserstoffreichen Gaswolken, so die Forscherinnen und Forscher, könnten dafür verantwortlich sein, dass die Häufigkeit, mit der schwere Elemente vorkommen, systematisch unterschätzt wird. Die Forschungsergebnisse bieten wichtige Erkenntnisse zur Evolution galaktischer Strukturen.
Unmittelbar nach dem Urknall bildeten sich zunächst leichte chemischen Elemente wie Wasserstoff und Helium. Nachdem sich das Universum weiter ausgedehnt und abkühlt hatte, entstanden Sterne, in denen bis heute chemische Elemente wie Sauerstoff und Stickstoff produziert werden. In einer zweiten Phase erzeugten Zusammenstöße von Neutronensternen oder Supernova-Explosionen noch schwerere Elemente wie Gold, Silber und Uran. „Einige dieser Elemente bleiben in langlebigen Sternen oder deren Überresten gebunden oder werden durch Explosionen und Sternwinde freigesetzt. Im interstellaren Raum stehen sie nachfolgenden Generationen von Sternen als Baumaterial zur Verfügung“, so Dr. José Eduardo Méndez Delgado vom Astronomischen Rechen-Institut, das zum Zentrum für Astronomie der Universität Heidelberg gehört.
Die Veränderungen und räumlichen Variationen in der Häufigkeit chemischer Elemente verraten dabei viel über die Evolution galaktischer Strukturen und werden daher intensiv untersucht. Die Wissenschaftler aus Deutschland, Spanien und Mexiko haben sich mit den wasserstoffreichen Gaswolken befasst, die als HII-Regionen bezeichnet werden. Werden sie von massereichen Sternen bestrahlt, emittieren sie eine große Menge an Strahlung, die selbst aus den größten kosmischen Entfernungen registriert werden kann. Diese Gaswolken enthalten aber auch schwere Elemente. Mit Hilfe ihrer Emissionslinien lässt sich ihre chemische Zusammensetzung und die Häufigkeit der Elemente bestimmen. Einige dieser Emissionslinien entstehen bei Kollisionen zwischen schweren Atomen und freien Elektronen, während andere nach der Rekombination von Elektronen mit Atomen generiert werden.
Frühere Messungen der Elementhäufigkeiten haben ergeben, dass die Rekombinationslinien systematisch etwa doppelt so viele schwere Elemente aufweisen wie ihre durch Kollisionen angeregten Gegenstücke. Für diese Diskrepanz sorgt möglicherweise eine inhomogene Temperaturverteilung in den HII-Regionen, so eine Annahme aus dem Jahr 1967. In einem solchen Szenario werden die kollisionsangeregten und sehr leuchtstarken Emissionslinien in den heißesten Bereichen der Gaswolke überproportional verstärkt. Hier wäre die Temperatur des Gases höher als der Durchschnittwert. Im Gegensatz dazu werden die Rekombinationslinien aufgrund ihrer geringeren Empfindlichkeit gegenüber Temperaturvariationen weit weniger beeinflusst. Sie müssten daher die korrekten Elementhäufigkeiten liefern.
Die Wissenschaftler um Dr. Méndez Delgado sind davon ausgegangen, dass sich die bislang nicht belegten Temperaturschwankungen auf die Bereiche der HII-Regionen konzentrieren, die in der Nähe von Sternen stärker bestrahlt werden und daher stärker ionisiert sind. Ein hoher und ein niedriger Ionisationsgrad müsste sich dabei mit einem Parameter in Verbindung bringen lassen, der auch die Diskrepanz in der Häufigkeit der Elemente quantifiziert. „Tatsächlich zeigen alle verfügbaren Beobachtungen von HII-Regionen eine solche Korrelation. Damit wird das erste Mal eine generelle Lösung dieses astrophysikalischen Problems durch starke Beweise gestützt“, sagt der Heidelberger Forscher.
Mit ihren Untersuchungen konnten Dr. Méndez Delgado und seine Kollegen aufzeigen, dass es möglich ist, bei kollisionsangeregten leuchtstarken Emissionslinien die korrekten chemischen Häufigkeiten abzuleiten, indem Ionen mit geringer Ionisation wie zum Beispiel Stickstoff zur Analyse herangezogen werden. Dr. Kathryn Kreckel, Forschungsgruppenleiterin am Astronomischen Rechen-Institut, geht davon aus, dass sich viele Schlussfolgerungen über die chemische Zusammensetzung und Entwicklung galaktischer Systeme ändern könnten. Wenn sie auf kollisionsangeregten Emissionslinien basieren, unterschätzen sie die Häufigkeit, mit der schwere Elemente auftreten, so die Wissenschaftlerin, die ebenfalls an den Forschungsarbeiten beteiligt war.
Die Forschungsergebnisse wurden in „Nature“ veröffentlicht. Gefördert wurden die Arbeiten, an denen auch Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Instituto de Astrofísica de Canarias (Spanien) und der Universidad Nacional Autónoma de México beteiligt waren, von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG).
Originalpublikation
J. E. Méndez Delgado, C. Esteban, J. García-Rojas, K. Kreckel & M. Peimbert: Temperature inhomogeneities cause the abundance discrepancy in HII regions, Nature (17. Mai 2023).