Einblicke in die häufigste Fusionsreaktion der Sonne

Bei Temperaturen von rund 15 Millionen Grad laufen im Kern der Sonne verschiedene Fusionsreaktionen ab. Nahezu die gesamte Energie entsteht allerdings über die sogenannte Proton-Proton-Kette, bei der Wasserstoffkerne in einem mehrstufigen Prozess zu Helium verschmelzen. Forscher konnten nun erstmals Neutrinos – elektrisch neutrale und nahezu masselose Elementarteilchen – nachweisen, die im ersten Schritt dieser Fusionsreaktion entstehen. Ihre Beobachtungen stehen im Einklang mit aktuellen theoretischen Sonnenmodellen, berichten die Forscher in der Zeitschrift „Nature“.

Bei der Proton-Proton-Kette verschmelzen zunächst zwei Wasserstoffkerne zu einem Deuteriumkern, wobei ein Positron und ein Elektronneutrino freigesetzt werden. Der erzeugte schwere Wasserstoff fusioniert anschließend mit einem weiteren Proton und es entsteht ein leichtes Heliumisotop. Erst jetzt kann über drei verschiedene Reaktionswege das Isotop Helium-4 entstehen. Insgesamt treffen etwa sechzig Milliarden solare Neutrinos pro Quadratzentimeter und Sekunde auf die Erdoberfläche, wobei neunzig Prozent auf die primäre Proton-Proton-Reaktion zurückgehen.

Blick ins Innere des Detektors

Im Borexino-Experiment im italienischen Gran-Sasso-Labor rund 1400 Meter unter der Erde verwenden Forscher dreihundert Kubikmeter einer hochreinen organischen Flüssigkeit, um solche Neutrinos nachzuweisen. Denn in seltenen Fällen streuen diese Teilchen an Elektronen in der Flüssigkeit, wobei Lichtblitze entstehen – und diese lassen sich mithilfe von Photosensoren registrieren. Besonders schwierig gestaltete sich bislang der Nachweis von niederenergetischen Neutrinos, da ihr Signal von umgebenden Störquellen überlagert wird. „Die jetzt veröffentlichte Beobachtung konnte nur gelingen, weil Borexino weltweit der empfindlichste Detektor ist und wir Störungen durch Strahlung und andere kosmische Teilchen extrem reduzieren konnten“, erläutert Teammitglied Stefan Schönert von der TU München.

Die Beobachtungen bestätigen, dass rund 99 Prozent der Sonnenenergie durch den Proton-Proton-Fusionsprozess entstehen. Das untermauere das bisherige Verständnis der Sonne, so die Autoren. Ihre Ergebnisse verglichen die Wissenschaftler auch mit der heute von der Sonne abgestrahlten Energie. Denn während Neutrinos kaum mit anderer Materie in Wechselwirkung treten und das Sonneninnere bereits nach wenigen Sekunden verlassen, benötigt die Energie, die später als Licht emittiert wird, rund hunderttausend Jahre für den Weg. Die damals und heute im Sonneninneren freigesetzte Energie scheint unverändert, so das Fazit, was mit aktuellen Modellen übereinstimmt.

In früheren Messungen konnten bereits Neutrinos aus weiteren Fusionsreaktionen in der Sonne detektiert werden. Darunter ein vergleichsweise selten auftretender Prozess, bei dem zwei Protonen und ein Elektron zu einem Deuteriumkern fusionieren, sowie eine Reaktion im dritten Schritt der Proton-Proton-Kette. Rund ein Prozent des Heliums entsteht durch eine alternative Fusionsreaktion, den sogenannten Bethe-Weizsäcker- oder CNO-Zyklus. Hierbei erzeugte Neutrinos konnten bislang nicht direkt gemessen werden.