Das Seltenerdmetall Ytterbium ist ein Zwitter: Ein Teil dieses Elements entstand im Kosmos beim Wandel normaler Sterne zu Roten Riesen. Doch der größere Teil muss in neutronendichten Umgebungen wie Supernovae oder kollidierenden Neutronensternen entstanden sein, wie Astronomen jetzt festgestellt haben. Damit ist die Ytterbium-Bildung vom schnellen Neutroneneinfang dominiert – bisher war unklar, welcher Mechanismus überwiegt.
Das Element Ytterbium mit der Ordnungszahl 70 ist das zweitschwerste Lanthanoid und ein seltenes Seltenerdmetall. Es wird unter anderem in Feststofflasern eingesetzt und spielt eine wichtige Rolle für quantenphysikalische Anwendungen und Experimente. So bestanden beispielsweise die ersten Zeitkristalle aus Ytterbium-Ionen und ultrakalte Wolken von Ytterbium-Atomen dienen der Zeitmessung in einer hochgenauen Quanten-Atomuhr.
Eine Besonderheit ist Ytterbium aber auch wegen seiner Entstehung: Die meisten leichteren Elemente entstehen durch die Kernfusion in sonnenähnlichen Sternen oder aber durch den sogenannten langsamen Neutroneneinfang (s-Prozess) in Roten Riesen. Schwere Elemente wie Gold, Platin oder Uran können dagegen nur durch den schnellen Neutroneneinfang, gebildet werden. Dieser r-Prozess ist nur bei neutronendichten, energiereichen Ereignissen wie einer Supernova oder einer Neutronensternkollision möglich.
Wo ist Ytterbium entstanden?
Ytterbium und einige andere Elemente liegen jedoch in einem Mittelfeld: Ein Anteil ihrer Atome könnte aus Roten Riesen stemmen, ein anderer aus Supernovae und Co. Doch welcher Anteil überwiegt? Um das zu klären, haben sich Martin Montelius von der Universität Groningen und sein Team auf Spurensuche in der Milchstraße begeben. Für ihre Studie analysierten sie die Infrarot-Lichtspektren von 30 massereichen Riesensternen.
Die Idee dahinter: „Indem wir Sterne aus verschieden alten Regionen der Milchstraße untersuchen, können wir ermitteln, wie schnell der Ytterbiumgehalt der Galaxie anstieg“, erklärt Montelius. Wenn Ytterbium primär durch den schnellen Neutroneneinfang entsteht, müsste das Element schon früher präsent gewesen sein als die nach dem Ausbrennen langlebiger massearmer Sterne gebildeten Elemente.
Schneller Neutroneneinfang überwiegt
Tatsächlich ergab die Auswertung: Im Vergleich zu dem leichteren, vom langsamen s-Prozess dominierten Seltenerdmetall Cer überwiegt bei Ytterbium offenbar der energiereichere r-Prozess. Das Element muss demnach überwiegend in Supernovae massereicher Sterne entstanden sein. „Allerdings spielt auch der s-Prozess eine gewisse Rolle beim Ytterbium, wie es auch die theoretischen Modelle vorhersagen“, berichten die Forschenden.
Die von den Astronomen verwendete Methode könnte sich zudem dazu eignen, auch dem Ursprung anderer Elemente mit unklaren Bildungswegen nachzugehen. Umgekehrt kann nun der Nachweis der Ytterbium-Linie in Sternen dazu beitragen, die Geschichte von Sternen und galaktischen Regionen zu rekonstruieren, wie das Team erklärt. (Astronomy & Astrophysics, submitted; arXiv: 2202.00691)
Quelle: Lund University
