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Rätsel zur Entstehung des Lebens gelöst

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.

„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. (Quelle: idw)

Supercomputer JUGENE findet Ursprung der sichtbaren Materie

Supercomputer helfen, die Prozesse in Atomkernen und deren Masse zu verstehen. Die Kräfte zwischen drei Quarks im Nukleon, erklären den sichtbaren Anteil der Masse im Universum. Forschungszentrum Jülich / Seitenplan mit Material von NASA, ESA und AURA/Caltech)

Supercomputer helfen, die Prozesse in Atomkernen und deren Masse zu verstehen. Die Kräfte zwischen drei Quarks im Nukleon, erklären den sichtbaren Anteil der Masse im Universum.Forschungszentrum Jülich / Seitenplan mit Material von NASA, ESA und AURA/Caltech)

Jülich, 21. November 2008 – Einem internationalen Forscherteam ist es erstmalig gelungen, die Masse der wichtigsten Bausteine der Materie – Protonen und Neutronen – auf theoretischem Weg zu berechnen. Das wichtigste Hilfsmittel der Physiker: der Supercomputer JUGENE am Forschungszentrum Jülich. Die aufwändigen Simulationen der Wissenschaftler bestätigen die Richtigkeit einer grundlegenden physikalischen Theorie, der Quantenchromodynamik. Die Ergebnisse wurden in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift “Science” veröffentlicht (21. Nov. 2008 Vol. 322, #5905).
Materie ist aus Atomen aufgebaut, Atome wiederum bestehen aus einem Kern aus Protonen und Neutronen, um den Elektronen kreisen. “Mehr als 99,9 Prozent der Masse der sichtbaren Materie stammt von den Protonen und Neutronen”, erläutert der gegenwärtig an der Bergischen Universität Wuppertal tätige ungarische Physiker Zoltan Fodor, der das Forschungsprojekt am Jülicher Supercomputer JUGENE geleitet hat. Diese Teilchen, von den Physikern unter dem Begriff “Nukleonen” zusammengefasst, sind aus jeweils drei Quarks aufgebaut.
Die Masse der drei Quarks ergibt zusammengerechnet jedoch nur etwa fünf Prozent der Masse eines Kernbausteins — woher also haben die Nukleonen ihre Masse? Die Antwort auf diese Frage findet sich in der berühmten Formel E = m × c2 von Albert Einstein: Energie und Masse sind zueinander äquivalent, und 95 Prozent der Nukleonenmasse haben ihren Ursprung in der Bewegungsenergie der Quarks und zwischen ihnen ausgetauschter Teilchen.
Solche Berechnungen sind jedoch ungeheuer kompliziert. Dank des Supercomputers JUGENE am Forschungszentrum Jülich konnten Fodor und seine Kollegen nun diese Hürde überwinden. 180 Billionen Rechenoperationen kann JUGENE in jeder Sekunde durchführen, damit ist er der schnellste Computer Europas. Als Ergebnis erhielten die Wissenschaftler schließlich Werte für die Massen der Nukleonen, die genau mit den in Experimenten gemessenen Werten übereinstimmen. “Damit haben wir gezeigt, dass die Quantenchromodynamik tatsächlich eine korrekte Beschreibung der starken Wechselwirkung ist”, freut sich Fodor.
“Der Ursprung des überwiegenden Teils der Masse der sichtbaren Materie ist dadurch also geklärt”, erklärt der Forscher weiter. Doch damit sind nicht alle Rätsel gelöst. – Quelle: idw

Kommentar:
Der Erfolg der naturwissenschaflichen Methode hat sich wieder auf imponierende Weise gezeigt. Aber Physik allein  kann nicht die Welt erklären, meint Prof. Harald Lesch in der 100. Sendung von Alpha Centauri (BR). Für die Erklärung der Welt bedarf es deshalb der Hinzuziehung weiter Disziplinen wie im kürzlich erschienenen Sachbuch Unsterbliches Bewusstsein: Raumzeit-Phänomene, Beweise und Visionen
geschehen. Dort kann man nun eine beeindruckende Erklärung der Welt finden.