Als Nukleare Astrophysik wird der Übergangsbereich zwischen Kernphysik und Astrophysik bezeichnet. Forschungsthema sind Phänomene und Wechselwirkungen in Zusammenhang mit Energieumwandlung (Nukleosynthese) im Innern von Sternen Vorgängen in Riesensternen (u. a. Schalenbrennen, Veränderliche Sterne) Supernovae und Theorien des Sternkollaps (Neutronensterne, Schwarze Löcher) Kosmologie, Entstehung der ersten Elemente nach dem Urknall (primordiale Nukleosynthese).

Zu diesen Forschungsbereichen gehört auch die Entwicklung von Technologien zur Beobachtung und Untersuchung dieser Wechselwirkungen, beispielsweise zur Neutrinooszillation, zum Nachweis von Teilchen oder zur nuklearen Altersbestimmung von Meteoriten — und nicht zuletzt die Entwicklung von Theorien zur Interpretation der Beobachtungen und Phänomene.

Traditionell wird die Astrophysik einerseits nach dem Spektralbereich der eintreffenden Strahlung eingeteilt (Radio- und Infrarotastronomie, Spektroskopie, UV-, Röntgen- und Gammaastronomie), andererseits nach den untersuchten Himmelsobjekten (v. a. Planetologie, Sonnenphysik, Stellarphysik und Sternentwicklung, interstellare Materie, Galaxienforschung und Kosmologie). Demgegenüber hat die nukleare Astrophysik eine mehr integrative Vorgangsweise und ist keine vorwiegend beobachtende Wissenschaft, sondern hat auch stark theoretische Elemente sowie experimentelle Methoden in Verbindung mit der Kernphysik.

Nukleosynthese in Sternen Zu diesem grundlegenden Prozess der Energieerzeugung in allen sonnenähnlichen und schwereren Sternen forscht die nukleare Astrophysik vor allem in folgenden Bereichen: Arten der Nukleosynthese in der Astrophysik Standardwerte für die in der Astrophysik verwendeten Kernreaktionsraten Hauptreihensterne und das Verhältnis der zwei Fusionsprozesse Proton-Proton-Kette und Kohlenstoff-Stickstoff-Zyklus Kern-Wirkungsquerschnitte in Sternen, Helium-Fusionsreaktionen Prozesse der schwachen Wechselwirkung bei der Sternentwicklung Neutrinos und Hochenergiephysik, solares Neutrinoproblem Theorie der Riesenstern-Stadien und des Schalenbrennens Bildung instabiler Elemente im Kern Roter Riesen (z. B. Technetium) AGB-Sterne und asymptotischer Riesenast Veränderliche Sterne, Kernprozesse und Oszillationen

Sternkollaps, kompakte Sterne Die Bildung sehr kompakter Himmelskörper ist eine relativ neue Forschungsrichtung und befasst sich u. a. mit:

Sternkollaps und Theorie kompakter Sterne mittels Zustandsgleichungen aus der Kernphysik Weiße Zwerge und Neutronensterne Simulationen des Gravitationskollaps, Röntgen-Burster, Collapsar-Modell für Gammastrahlen-Burster Jet-Entstehung, Kollaps rotierender Magnetare Entwicklung von Schwarzen Löchern Entstehung der Gammablitze

Theorie der Supernovae Die Explosion im Endstadium sehr massereicher Sterne ist erst durch wenig Messdaten gestützt, weil die bisher beobachteten Supernovae bis auf zwei Ausnahmen für genaue Spektroskopie zu weit entfernt waren. Daher tragen vor allem astrophysikalische Theorien zu diesem Forschungsgebiet bei:

Theoretische Modelle für Supernovae und Neutronensterne Nukleosynthese bei Supernovae die Entwicklung massereicher Sterne (8 bis 50 Sonnenmassen) im Vor-Supernova-Stadium die Rolle der Neutrinos bei der Erzeugung schwerer Elemente, Aufheizungsmechanismen Doppelsterne mit kompakten Sternen als Partnern Verschmelzung von Neutronensternen die Frage der Neutrino-Mischung in Supernovae

Planetologie Für Körper unseres Sonnensystem sind u. a. folgende nukleare Themen relevant: Altersbestimmung von Meteoriten ursprüngliche (primordiale) Zusammensetzung und Isotopen-Verhältnisse von Kometen, interplanetarem Staub und Meteoriten Wechselwirkung zwischen Sonnenwind und der Magnetosphäre von Planeten Anregungszustände, Ionen und Isotope in Planeten-Atmosphären Spuren kosmischer Strahlung im Boden von Mond und Mars

Kernphysik und Kosmologie Bei der Erforschung der Anfänge des Universums sind derzeit die Fragen nach der Elemententstehung und sehr energiereicher Phänomene (Gravitationswelle, Gammablitze) der Galaxien-Entwicklung und der Großstruktur des Universums besonders aktuell: Entstehung der ersten Elemente nach dem Urknall insbesondere das primordiale Verhältnis von Wasserstoff zu Helium Häufigkeit von Lithium und anderer Elemente und Folgerungen für die Kosmologie Evolution chemischer Elemente in Galaxien Nachweis und Erforschung von Gravitationswellen und der Gammablitze elektromagnetische und Gravitationsstrahlung bei der Fusion zweier Neutronensterne Nukleosynthese in homogenen Urknallmodellen Modelle inhomogener Kosmologien

Verbindung von Astro- und Kernphysik Die beiden Fachgebiete überschneiden sich zunehmend, beispielsweise bei Zustandsgleichungen für hochdichte Materie, auch jenseits der Dichte von Atomkernen Eigenschaften instabiler Kerne, Quark- und Kernmaterie hoher Dichte Monte-Carlo-Verfahren für das quantenmechanische Schalenmodell (Kernphysik) Modellierung von Wirkungsquerschnitten, z. B. für die Helium-3-Fusionsreaktion r-Prozess und neuartige Experimente beim Studium des Zerfalls von Kernen

Zur Kooperation von Kern- und Astrophysik trägt seit längerem auch das Projekt ISOLDE (Isotope Separator On Line DEvice) am Proton Synchrotron Booster des CERN in Genf bei.

Experimente Von vielen relevanten Experimenten seien erwähnt: Fermi Gamma-ray Space Telescope Neutrino-Detektoren Super-Kamiokande und GALLEX Laboratori Nazionali del Gran Sasso Laborexperimente des HEPHY (Institut für Hochenergiephysik)

Preise und Auszeichnungen

Hans-A.-Bethe-Preis Lise-Meitner-Preis Otto-Hahn-Medaille

Siehe auch Baryogenese Bestrahlungsalter Dunkle Materie und WIMPs Gammastrahlenastronomie Häufigkeiten chemischer Elemente Kosmische Strahlung Neon-, Silizium-, Sauerstoffbrennen primordiale Nukleosynthese Protonenanlagerung Konferenzserie Nuclei in the Cosmos

Literatur

Einsteiger

Standardwerke

Introduction to Stellar Astrophysics, 3 Bände von Erika Böhm-Vitense, 1989

Klassiker

Kategorie:Astrophysik Kategorie:Kernphysik