Können wir bald live bei der Geburt von Gold im Universum zuschauen?

Im Mittelalter versuchten viele Alchemisten erfolglos, unedle Metalle in Silber und Gold zu verwandeln. Interessanterweise führte diese Suche zur Erfindung des Meißner Porzellans. Doch wie entstand Gold tatsächlich auf der Erde? Die Antwort liegt im Weltall. Künftig wird ein neues Teleskop es ermöglichen, live kosmische Ereignisse zu beobachten, bei denen Gold entsteht.

Kollision von Neutronensternen lässt Gold entstehen

Im Sommer 2017 erlebten Astronomen einen spektakulären Tag. Am 17. August registrierten drei Gravitationswellendetektoren ein neues Signal. Sofort richteten Hunderte Teleskope weltweit ihre Linsen auf den vermuteten Ursprungsort und entdeckten tatsächlich einen aufleuchtenden Himmelskörper – eine Supernova. Erstmals gelang es, die Kollision von zwei Neutronensternen sowohl als Gravitationswelle als auch optisch zu erfassen.

Neutronensterne sind faszinierende Objekte im Universum. Sie bestehen aus ausgebrannten Sternen, die ihre Leuchtkraft verloren haben. Obwohl sie etwas mehr als unsere Sonne wiegen, sind sie auf einen Durchmesser von weniger als 20 km zusammengeschrumpft. Der Zusammenstoß solcher Sterne ist so gewaltig, dass Atomkerne zerreißen und schwere Elemente wie Gold entstehen.

„Verglichen mit der Masse der Neutronensterne entsteht nur eine geringe Menge Gold – etwa ein paar Mondmassen“, erklärt Professor Achim Stahl von der RWTH Aachen University schmunzelnd. „Doch die Forschung geht davon aus, dass das meiste Gold im Universum bei solchen gigantischen Explosionen entstanden ist.“ Der goldene Ring an unserem Finger hat somit eine galaktische Geschichte.

Und so gelangte das Gold auf die Erde: Nach der Verschmelzung der Neutronensterne wurden die Edelmetalle Teil einer riesigen Molekülwolke aus Gas und Staub, aus der vor Milliarden Jahren unser Sonnensystem entstand. Als sich die Erde formte, waren diese kostbaren Elemente bereits vorhanden. Sie gehören zu den hochsiderophilen Elementen (HSEs), die eine starke Affinität zu Eisen haben. Zu dieser Gruppe zählen neben Gold auch Iridium, Platin, Osmium, Palladium, Rhenium, Rhodium und Ruthenium.

Video zur Entstehung und Beobachtung von Gold und Silber im Universum

In folgendem Video von PhysikalischerVerein erläutert Dr. Camilla Hansen vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg einiges über die Entstehung von schweren Elementen wie Silber und Gold.

Lässt sich Gold auch künstlich herstellen?

Im Mittelalter war es unmöglich, künstlich Gold herzustellen. Wie wir gelernt haben, hätte es die enormen Kräfte gebraucht, die beim Zusammenstoß zweier Neutronensterne freiwerden. Heute ist die Vorstellung von künstlicher Goldproduktion jedoch nicht mehr rein utopisch. Es gibt mittlerweile verschiedene Methoden, die erfolgreich angewendet wurden. Hier sind zwei Ansätze, die eine künstliche Goldherstellung ermöglichen könnten:

• Goldproduktion mit Bakterien: Australische Wissenschaftler entdeckten, dass bestimmte Bakterien, genannt Cupriavidus metallidurans, auf Goldkörnchen leben. Diese Bakterien können toxische Goldverbindungen umwandeln, um sich vor dem Gift zu schützen. Dabei setzen sie biochemische Prozesse in Gang und lagern Nanopartikel aus Gold auf den Körnchen ab. Allerdings benötigt man etwa 1.000 Bakterien, um eine winzige Menge Gold auf biologischem Wege zu erzeugen.
• Bestrahlung in einem Kernreaktor oder Teilchenbeschleuniger: Forscher ahmen eine Supernova nach, indem sie Platin oder Quecksilber im Kernreaktor bestrahlen. Dieser Prozess, bekannt als Goldsynthese, ist jedoch derzeit nicht rentabel.

Aktuelle Forschungen zeigen, dass die meisten Methoden zur künstlichen Goldherstellung noch nicht ausreichend erforscht sind. Die Versuche sind sehr aufwendig und verursachen hohe Kosten. Zudem erfordert die Produktion selbst kleiner Goldmengen enorm viel Energie. Keine der bisherigen Methoden ist wirtschaftlich oder rentabel.

Können wir künftig zuschauen, wie Gold entsteht?

Bald schon könnten wir häufiger beobachten, wie neues Gold entsteht, denn ein neues Teleskop zur Messung von Gravitationswellen steht in den Startlöchern. Diese Wellen, ähnlich den Schallwellen des Weltalls, entstehen bei Kollisionen von schwarzen Löchern oder Neutronensternen. Das zukünftige Einstein-Teleskop wird hierfür modernste Lasertechnologie nutzen. Als möglicher Standort wird das Dreiländereck von Deutschland, Belgien und den Niederlanden diskutiert.

Die Astronomie basierte jahrhundertelang auf der Beobachtung sichtbarer Strahlung. Mit dem Verständnis des elektromagnetischen Spektrums erweiterten Radiowellen und andere Methoden unser Wissen erheblich.

Vor über hundert Jahren postulierte Albert Einstein in seiner allgemeinen Relativitätstheorie die Existenz von Wellen, die unabhängig vom elektromagnetischen Spektrum sind. Diese Gravitationswellen sollten, ähnlich wie Schallwellen, Probekörper in großer Entfernung minimal bewegen. Auf der Erde sind diese Bewegungen so winzig, dass sie kleiner als der Durchmesser eines Atoms sind. Dennoch gelang es, diese Gravitationswellen zu messen, was für Astronomen ein neues Zeitalter einläutete.

Das gelingt mit sogenannten Laserinterferometern. Diese Geräte haben zwei Arme mit Spiegeln an den Enden. Ein Laserstrahl wird in das Interferometer geschickt und an einem Strahlteiler in der Mitte geteilt. Die Strahlen laufen zu den Endspiegeln der beiden Arme und wieder zurück. Bewegt sich ein Spiegel, ändert sich die Laufzeit des Laserstrahls minimal. Diese Änderung wird gemessen, indem man den Strahl vom betroffenen Spiegel mit dem Strahl aus dem anderen Arm vergleicht, bei dem der Spiegel stationär bleibt.

Einstein-Teleskop ermöglicht Live-Übertragung kosmischer Ereignisse

Bereits in den 1960er Jahren starteten erste Versuche zur Messung von Gravitationswellen. Doch erst die zweite Generation von Laser-Messgeräten erreichte die nötige Präzision und entdeckte inzwischen etwa 100 Kollisionen von schwarzen Löchern oder Neutronensternen. Das Einstein-Teleskop markiert nun den Beginn der dritten Generation von Gravitationswellendetektoren.

Das geplante Einstein-Teleskop besteht aus drei ineinander verschachtelten Detektoren, von denen jeder zwei Laserinterferometer mit 10 km langen Armen umfasst. Um störende Einflüsse zu minimieren, soll das Observatorium 250 Meter unter der Erde errichtet werden.

Die Forscher denken schon weiter: „Das Einstein-Teleskop wird mit einer neuen, innovativen Generation von Observatorien im elektromagnetischen Spektrum arbeiten, die von Radio- bis zu Gammastrahlen reichen. Wir nennen das Multimessenger-Astronomie“, erklärt Professor Stahl. „Neben den ‚Ohren‘ für die Gravitationswellen haben wir dann auch ‚Augen‘, die verschiedene Signale erfassen. Gemeinsam liefern sie eine Live-Übertragung kosmischer Ereignisse, die noch niemand gesehen hat.“

Bisher konnte man den Himmel nur auf gut Glück beobachten und auf einen kurzen Blitz hoffen. Zukünftig werden die Gravitationswellendetektoren kontinuierlich „hören“ und bei einem Signal die Ursprungsregion berechnen. Optische Teleskope können dann darauf ausgerichtet werden, ähnlich wie bei der Neutronensternkollision im Sommer 2017. Diese systematischen Messungen versprechen neue Erkenntnisse über das frühe Universum und Kollisionen, bei denen alle Elemente schwerer als Eisen, einschließlich Gold, entstanden sind.

Globale Zusammenarbeit

Ein großes Team arbeitet bereits am Einstein-Teleskop an verschiedenen Standorten. In Aachen sind neben der RWTH Aachen University auch das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT beteiligt, wo man neue Laser entwickelt, die für die geplanten Messungen unerlässlich sind. Parallel dazu entwickelt man in den USA das Detektorkonzept der dritten Generation namens Cosmic Explorer, das zusammen mit dem Einstein-Teleskop ein globales Detektornetzwerk bilden wird.

Derzeit laufen Studien zur Standortauswahl, deren Entscheidung für 2024 erwartet wird. Zwei mögliche Standorte stehen im Fokus: Sardinien und die Euregio Maas-Rhein im Dreiländereck von Deutschland, Belgien und den Niederlanden. Bei der Bewertung werden die Durchführbarkeit des Baus und die Auswirkungen der lokalen Umgebung auf die Empfindlichkeit und den Betrieb des Detektors berücksichtigt.