Astrophysik und Meteorite

Woher stammen die chemischen Elemente? Nukleare Astrophysik hat zum Ziel, diese Frage zu beantworten, indem sie die Bedingungen des frühen Universums und in Sternen auf der Erde reproduziert, um mittels experimenteller Daten zuverlässige Modelle für die Nukleosynthese von Isotopen und die Anreicherung schwerer Elemente in Galaxien zu erstellen.

Die Beschleuniger-Massenspektrometrie ermöglicht auch die direkte Suche nach Nukleosyntheseprodukten in Form von langlebigen Radionukliden in geologischen Proben. In direktem Zusammenhang mit der Suche in geologischen Proben steht die Ermittlung von Produktionsraten und Bestrahlungsverläufen von Meteoriten mit langlebigen Isotopen. Eine weitere Anwendung ist der "Aktivierung + AMS"-Ansatz zur Bestimmung astrophysikalischer Reaktionsquerschnitte, komplementär zu online Messungen mit direktem Nachweis während der Bestrahlung einer Meßprobe.

Anwendungen

Die Suche nach interstellarem Staub aus Supernovae. AMS wird zum direkten Nachweis von Nukleosyntheseprodukten auf der Erde genutzt. Das langlebige Radionuklid ⁶⁰Fe (Halbwertszeit von 2,6 Myr) ist auf der Erde natürlich nicht vorhanden. Es wird hauptsächlich in Sternen in späten Brennstadien und in Supernovae, sowie in Kernreaktionen durch kosmische Strahlung in Meteoriten und kosmischem Staub erzeugt. Die Suche nach ⁶⁰Fe in Eisen-Mangankrusten und -knollen, Tiefseesedimenten, Mondgestein und antarktischem Schnee zeigte, dass es in der Vergangenheit mehrere interstellare ⁶⁰Fe-Einflüsse gegeben hat und ⁶⁰Fe auch heute noch von der Erde aufgenommen wird. In Zusammenarbeit mit der AMS-Gruppe der ANU an der Heavy Ion Accelerator Facility (HIAF) in Canberra detektieren wir in verschiedenen Proben erfolgreich ⁶⁰Fe, das aus kürzlich stattgefundenen Supernovae stammt, und sind derzeit die einzige Kollaboration weltweit, die dazu in der Lage ist.

Wo findet r-Prozess statt? Das langlebige Radionuklid ²⁴⁴Pu (Halbwertszeit von 81 Myr) entsteht im astrophysikalischen r-Prozess. Dieser Prozess ist für die Hälfte der Atome schwerer als Eisen verantwortlich. Wir wissen aber nicht, wo dieser Prozess stattfindet. Der Nachweis des gleichzeitigen Eintrags von stellaren Nukliden (z. B. ⁶⁰Fe) und r-Prozess-Nukliden (z. B. ²⁴⁴Pu oder ²⁴⁷Cm) könnte verwendet werden, um verschiedene r-Prozess-Stätten zu untersuchen. Ziel ist es, eine Historie der interstellaren Radionuklidzuflüsse mit unterschiedlichen Halbwertszeiten als Chronomarker und unterschiedlichen Ursprüngen zu erstellen, um zu verstehen, wie die solare Nachbarschaft entstanden ist, wie Sternexplosionen die Erde beeinflussen und vor allem, wo die schweren Elemente im Universum entstehen.

Bestrahlungsalter und Produktionsraten in Meteoriten. Unsere Gruppe beteiligt sich an der Identifizierung und Kategorisierung von Meteoriten anhand ihres Radionuklidinventars, um eine globale Meteoritendatenbank aufzubauen. Für die Radionuklide ⁵³Mn und ⁶⁰Fe lieferte die Gruppe gemeinsam mit internationalen KollegInnen mehr als 2/3 der global gemessenen Meteoritendaten. Konstanz der galaktischen kosmischen Strahlungsintensität sowie Bestrahlungsalter einzelner Meteoriten können mit Hilfe langlebiger Radionuklide im und außerhalb des Gleichgewichts untersucht werden.

Studium astrophysikalischer Kernreaktionen. Neben der direkten Suche nach Nukleosyntheseprodukten auf der Erde arbeitet unsere Gruppe an experimentellen Daten zur Unterstützung von Modellen, insbesondere Wirkungsquerschnitten für Reaktionen induziert durch geladene Teilchen und Neutronen. Messungen von stellaren Energien können in beschleunigerbasierten Bestrahlungsanlagen simuliert werden, z. B. durch direkte Bestrahlung mit geladenen Teilchen oder durch Nutzung der ⁷Li(p,n)⁷Be-Reaktion zur Erzeugung eines quasi-stellaren Neutronenspektrums. Mittels AMS wird dann das Verhältnis zwischen Anfangsisotop und Reaktionsprodukt bestimmt, welches in Kombination mit der Bestrahlung den Wirkungsquerschnitt ergibt.

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Nutzer Informationen

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Projekte und Kollaborationen

Joint PhD student with the Australian National University (Dominik Koll, start 2018): A 10-million year time profile of interstellar influx to Earth mapped through supernova 60Fe and r-process 244Pu Supported by the Australian Institute of Nuclear Science and Engineering (AINSE) PhD student (Sebastian Zwickel, start 2022): Interstellar and cosmogenic radioisotopes on the surface of the Moon Collaborations with the Australian National University (for 60Fe), Australia's Nuclear Science and Technology Organisation (for 244Pu and 247Cm) and the University of Vienna (for 182Hf)

Literatur

Grundlagen

Iliadis, C. (2015). Nuclear Physics of Stars. Wiley https://doi.org/10.1002/9783527692668 Xilu W., Clark, A.M., Ellis, J., Ertel, A.F., Fields, B.D., Fry, B.J., Liu, Z., Miller, J.A. and Surman, R. (2021). r-Process radioisotopes from near-Earth supernovae and kilonovae. The Astrophysical Journal, 923(2), p. 219. https://doi.org/10.3847/1538-4357/ac2d90 Ellis, J., Fields, B.D. and Schramm, D.N. (1996). Geological isotope anomalies as signatures of nearby supernovae. The Astrophysical Journal, 470, 1227. https://doi.org/10.1086/177945

Eigene Publikationen (siehe auch hier)

Wallner, A., Feige, J., Kinoshita, N., Paul, M., Fifield, L. K., Golser, R., Honda, M., Linnemann, U., Matsuzaki, H., Merchel, S., Rugel, G., Tims, S.G., Steier, P., Yamagata, T. and Winkler, S.R. (2016). Recent near-Earth supernovae probed by global deposition of interstellar radioactive 60Fe. Nature, 532, 69–72. https://doi.org/10.1038/nature17196 Koll, D., Korschinek, G., Faestermann, T., Gómez-Guzmán, J.M., Kipfstuhl, S., Merchel, S. and Welch, J.M. (2019). Interstellar 60Fe in Antarctica. Physical Review Letters, 123(072701). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.072701 Wallner, A., Froehlich, M.B., Hotchkis, M.A.C., Kinoshita, N., Paul, M., Martschini, M., Pavetich, S., Tims, S.G., Kivel, N., Schumann, D., Honda, M., Matsuzaki, H. and Yamagata, T. (2021). 60Fe and 244Pu deposited on Earth constrain the r-process yields of recent nearby supernovae. Science, 372(6543). https://doi.org/10.1126/science.aax3972 Bischoff, A., Alexander, C.M. O'D., Barrat, J.-A., Burkhardt, C., Busemann, H., Degering, D., Di Rocco, T., Fischer, M., Fockenberg, T., Foustoukos, D.I., Gattacceca, J., Godinho, J.R.A., Harries, D., Heinlein, D., Hellmann, J.L., Hertkorn, N., Holm, A., Jull, A.J.T., Kerraouch, I., King, A.J., Kleine, T., Koll, D., Lachner, J., Ludwig, T., Merchel, S., Mertens, C.A.K., Morino, P., Neumann, W., Pack, A., Patzek, M., Pavetich, S., Reitze, M.P., Rüfenacht, M., Rugel, G., Schmidt, C., Schmitt-Kopplin, P., Schönbächler, M., Trieloff, M., Wallner, A., Wimmer, K. and Wölfer, E. (2021). The old, unique C1 chondrite Flensburg – Insight into the first processes of aqueous alteration, brecciation, and the diversity of water-bearing parent bodies and lithologies. Geochimica et Cosmochimica Acta, 293, 142-186. https://doi.org/10.1016/j.gca.2020.10.014 Feige, J., Wallner, A., Fifield, L.K., Merchel, S., Rugel, G., Steier, P., Tims, S.G., Winkler, S.R. and Golser, R. (2018). Limits on 60Fe/26Al nucleosynthesis ratios from deep-sea sediment AMS measurements. Physical Review Letters 121, 221103. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.121.221103 Wallner, A., Feige, J., Fifield, L.K., Froehlich, M.B., Golser, R., Hotchkis, M.A.C., Koll, D., Leckenby, G., Martschini, M., Merchel, S., Panjkov, S., Pavetich, S., Rugel, G., Tims, S.G. (2020). 60Fe deposition during the late Pleistocene and the Holocene echoes past supernova activity. Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) 201916769. https://doi.org/10.1073/pnas.1916769117