Damit in den Sternen Kohlenstoff, die Grundlage des
Lebens, entstehen kann, spielt eine bestimmte Form des
Kohlenstoffkerns eine entscheidende Rolle. Physiker der Universität
Bonn und der Ruhr-Universität Bochum haben jetzt gemeinsam mit
US-Kollegen diesen legendären Kohlenstoffkern berechnet. Damit haben
sie ein Problem gelöst, das die Wissenschaft seit mehr als 50 Jahren
vor Rätsel gestellt hat. Die Forscher veröffentlichten ihre
Ergebnisse in kommenden Ausgabe des Fachblatts Physical Review
Letters.

„Seit 1954 hat man vergeblich versucht, den Hoyle-Zustand zu
berechnen“, berichtet Professor Dr. Ulf-G. Meißner
(Helmholtz-Institut für Strahlen- und Kernphysik der Universität
Bonn), „und wir haben es jetzt geschafft!“ Der Hoyle-Zustand ist eine
energiereiche Form des Kohlenstoffkerns. Er ist der Bergpass, über
den man von einem Tal ins andere gelangt: von drei Kernen des Gases
Helium zum sehr viel größeren Kohlenstoffkern. Diese
Verschmelzungsreaktion findet im heißen Inneren schwerer Sterne
statt. Gäbe es den Hoyle-Zustand nicht, hätten im Weltall nur sehr
wenig Kohlenstoff oder andere höhere Elemente wie Sauerstoff,
Stickstoff und Eisen entstehen können. Ohne diese Art von
Kohlenstoffkern wäre daher vermutlich auch kein Leben möglich
gewesen.

Die Suche nach dem „Nebensender“

Bereits im Jahr 1954 hat man den Hoyle-Zustand experimentell
nachgewiesen, aber seine Berechnung scheiterte stets. Denn diese Form
des Kohlenstoffs besteht lediglich aus drei sehr lose gebundenen
Heliumkernen – ein eher wolkiger diffuser Kohlenstoffkern. Und er
liegt nicht einzeln vor, sondern stets zusammen mit anderen Formen
von Kohlenstoff. „Das ist, wie wenn sie ein Radiosignal untersuchen
wollen, bei dem ein Hauptsender und mehrere schwächere Sender
überlagert sind“, erläutert Prof. Dr. Evgeny Epelbaum (Institut fuer
Theoretische Physik II der Ruhr-Universität Bochum). Der Hauptsender
ist der stabile Kohlenstoffkern, aus dem unter anderem auch der
Mensch aufgebaut ist. „Wir interessieren uns aber für einen der
instabilen, energiereichen Kohlenstoffkernen, also müssen wir
irgendwie mit einem Rauschfilter den schwächeren Radiosender von dem
dominierenden Signal abtrennen.“

Möglich wurde das mit einer neuen, besseren Rechenmethode der
Forscher, welche die Kräfte zwischen mehreren Kernbausteinen präziser
als zuvor berechnet. Mit JUGENE, dem Supercomputer am
Forschungszentrum Jülich, stand auch das passende Werkzeug parat.
Eine knappe Woche hat JUGENE gerechnet. Das Rechenergebnis stimmt so
gut mit den experimentellen Daten überein, dass die Forscher sicher
sein können, den Hoyle-Zustand tatsächlich von Grund auf berechnet zu
haben.

Mehr über die Entstehung des Universums

„Jetzt können wir diese spannende und wichtige Form von
Kohlenstoffkern ganz genau untersuchen“, erläutert Prof. Meißner.
„Wir werden schauen, wie groß er ist und wie er aufgebaut ist. Und
damit können wir jetzt auch die gesamte Kette der Elemententstehung
unter die Lupe nehmen.“

Sogar philosophische Fragen sind in Zukunft vermutlich
wissenschaftlich zu beantworten. Seit Jahrzehnten gilt der
Hoyle-Zustand als Paradebeispiel für die Theorie, dass die
Naturkonstanten bei der Entstehung unseres Universums genauso und
nicht anders aufeinander abgestimmt sein mussten, da wir sonst nicht
hier wären, um das Universum zu beobachten (Anthropisches Prinzip).
„Für den Hoyle-Zustand heißt das: Er muss genau diese Energie haben,
die er hat, weil es uns sonst nicht gäbe“, sagt Prof. Meißner. „Wir
können jetzt berechnen, ob in einer veränderten Welt mit anderen
Parametern der Hoyle-Zustand im Vergleich zur Masse von drei
Heliumkernen tatsächlich eine andere Energie hätte.“ Wenn dem so ist,
spräche das für das anthropische Prinzip.

Mitgewirkt an der Studie haben die Universität Bonn, die
Ruhr-Universität Bochum, die North Carolina State University und das
Forschungszentrum Jülich.

E. Epelbaum, H. Krebs, D. Lee, Ulf-G. Meißner, Ab initio calculation
of the Hoyle state, Physical Review Letters, 2011.
Online: http://prl.aps.org/abstract/PRL/v106/i19/e192501
DOI: 10.1103/PhysRevLett.106.192501

Pressekontakt:
Prof. Dr. Ulf-G. Meißner
Helmholtz-Institut für Strahlen- und Kernphysik der Universität Bonn
Telefon: 0228/73-2365
E-Mail: meissner@hiskp.uni-bonn.de

Prof. Dr. Evgeny Epelbaum
Institut für Theoretische Physik II
Fakultät für Physik und Astronomie der Ruhr-Universität Bochum
Telefon: 0234/32-28707
E-Mail: evgeny.epelbaum@rub.de

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