Wie alle Sterne wird unsere Sonne durch die Verschmelzung von Wasserstoff zu schwereren Elementen angetrieben. Kernfusion ist nicht nur das, was Sterne zum Leuchten bringt, sie ist auch eine Hauptquelle der chemischen Elemente, die die Welt um uns herum ausmachen. Ein Großteil unseres Verständnisses der Sternfusion stammt aus theoretischen Modellen von Atomkernen, aber für unseren nächsten Stern haben wir noch eine andere Quelle: Neutrinos, die im Kern der Sonne erzeugt werden.
Wenn Atomkerne fusionieren, produzieren sie nicht nur hochenergetische Gammastrahlen, sondern auch Neutrinos. Während die Gammastrahlen das Sonneninnere über Jahrtausende erhitzen, sausen Neutrinos mit nahezu Lichtgeschwindigkeit aus der Sonne. Solare Neutrinos wurden erstmals in den 1960er Jahren entdeckt, aber außer der Tatsache, dass sie von der Sonne emittiert wurden, war es schwierig, viel über sie zu erfahren. Dies bewies, dass die Kernfusion in der Sonne stattfindet, aber nicht die Art der Fusion.
Der CNO-Zyklus setzt bei höheren Temperaturen ein. Bildnachweis: RJ Hall
Theoretisch sollte die vorherrschende Form der Fusion in der Sonne die Verschmelzung von Protonen sein, die aus Wasserstoff Helium erzeugt. Bekannt als die pp-Kette, ist es die einfachste Reaktion für Sterne. Bei größeren Sternen mit heißeren und dichteren Kernen ist eine stärkere Reaktion, der sogenannte CNO-Zyklus, die dominierende Energiequelle. Diese Reaktion verwendet Wasserstoff in einem Reaktionszyklus mit Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff, um Helium zu produzieren. Der CNO-Zyklus ist einer der Gründe, warum diese drei Elemente zu den am häufigsten vorkommenden im Universum gehören (außer Wasserstoff und Helium).
In den letzten zehn Jahren sind Neutrino-Detektoren sehr effizient geworden. Moderne Detektoren sind zudem in der Lage, nicht nur die Energie eines Neutrinos, sondern auch seinen Geschmack zu erkennen. Wir wissen jetzt, dass die in frühen Experimenten entdeckten solaren Neutrinos nicht von den üblichen pp-Ketten-Neutrinos stammen, sondern von Sekundärreaktionen wie dem Borzerfall, die energiereichere Neutrinos erzeugen, die leichter zu erkennen sind. 2014 dann ein Team entdeckte niederenergetische Neutrinos, die direkt von der pp-Kette produziert wurden. Ihre Beobachtungen bestätigten, dass 99% der Sonnenenergie durch Proton-Proton-Fusion erzeugt wird.
Die Energieniveaus verschiedener solarer Neutrinos. Bildnachweis: HERON, Brown University
Während die pp-Kette die Fusion in der Sonne dominiert, ist unser Stern groß genug, dass der CNO-Zyklus auf einem niedrigen Niveau stattfinden sollte. Es sollte das zusätzliche 1% der von der Sonne produzierten Energie ausmachen. Da CNO-Neutrinos jedoch selten sind, sind sie schwer zu entdecken. Aber kürzlich hat ein Team sie erfolgreich beobachtet.
Eine der größten Herausforderungen bei der Erkennung von CNO-Neutrinos besteht darin, dass ihr Signal dazu neigt, im terrestrischen Neutrinorauschen verborgen zu sein. Kernfusion kommt auf der Erde nicht natürlich vor, aber geringe Mengen radioaktiven Zerfalls von terrestrischen Gesteinen können Ereignisse in einem Neutrinodetektor auslösen, die den CNO-Neutrinonachweisen ähneln. Daher entwickelte das Team einen ausgeklügelten Analyseprozess, der das Neutrinosignal von falsch positiven Ergebnissen filtert. Ihre Studie bestätigt, dass die CNO-Fusion innerhalb unserer Sonne in vorhergesagten Ausmaßen stattfindet.
Der CNO-Zyklus spielt in unserer Sonne eine untergeordnete Rolle, ist jedoch für das Leben und die Entwicklung massereicherer Sterne von zentraler Bedeutung. Diese Arbeit soll uns helfen, den Zyklus großer Sterne zu verstehen, und könnte uns helfen, den Ursprung der schwereren Elemente, die das Leben auf der Erde ermöglichen, besser zu verstehen.
Referenz:Die Borexino-Kollaboration. “ Experimentelle Beweise für Neutrinos, die im CNO-Fusionszyklus in der Sonne produziert werden . 'Natur587 (2020): 577
