Borexino-Detektor gelingt Messung des CNO-Fusionszyklus der Sonne

Sonnenmodell erstmals vollständig bestätigt

Dieser zweite Zyklus war in den 1930er Jahren von den Physikern Hans Bethe und Carl Friedrich von Weizsäcker unabhängig voneinander als Energielieferant der Sonne postuliert worden, konnte bislang jedoch nicht experimentell bestätigt werden.

Nun ist es den Physikern des Experiments Borexino, das sich im italienischen Gran Sasso Untergrundlabor befindet, erstmals gelungen, diesen Zyklus mit Hilfe der von ihm produzierten Neutrinos nachzuweisen. 

Vor einigen Jahren hatte das Team des Borexino-Experiments bereits erstmals eine Gesamtuntersuchung der Fusionsprozesse der pp-Kette mittels ihrer Neutrinos vorgestellt. Maßgeblich beteiligt waren an beiden Messungen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Physik-Departments der Technischen Universität München.

Die Neutrinos des CNO-Zyklus waren aufgrund ihrer Energieverteilung schwer von denen zu unterscheiden, die beim radioaktiven Zerfall winziger Spuren anderer Elemente erzeugt werden. Vor allem Bismut-210 aus Spurenverunreinigungen auf der Oberfläche der Detektorwand verdeckte bisher die Signale des CNO-Zyklus.

Aufgrund von Konvektionsbewegungen gelangten diese Verunreinigungen in die Detektorflüssigkeit. Um die Störung zu beseitigen, musste die Konvektion im Inneren des Borexino-Detektors zum Stillstand gebracht werden, was technisch extrem aufwändig war.

„Ich habe es lange für nicht möglich gehalten, dass diese Messung erfolgreich sein würde“, sagt Stefan Schönert, Professor für experimentelle Astroteilchenphysik an der TU München. „Nach sechsjähriger Anstrengung gelang uns dies nun, so dass wir das CNO-Neutrino-Signal jetzt erstmals nachweisen konnten.“

Die Ergebnisse bestätigen nun nicht nur die theoretischen Vorhersagen über die beiden Fusionsprozesse der Sonne, sondern geben auch einen Hinweis auf die Metallizität der Sonne, also die Konzentration der Kerne, die schwerer als Wasserstoff und Helium sind.

Verschiedene astrophysikalische Untersuchungsmethoden kamen in den vergangenen Jahren zu unterschiedlichen Resultaten. „Die neuen Borexino-Ergebnisse unterstützen hier nun die Beobachtungen mit höheren Metallizitätswerten“, so Prof. Lothar Oberauer von der TUM. 

Wichtig ist dies vor allem im Hinblick auf wesentliche Eigenschaften von Sternen wie ihre Größe, Temperatur, Helligkeit und Lebensdauer, die von der Metallizität bestimmt werden. Die chemische Zusammensetzung der Sonne zu verstehen, ist daher grundlegend für das Verständnis der Eigenschaften aller Sterne.