Warum wir da sein können, Teil 6: Der Hoyle-Zustand vom Kohlenstoff

 Unser Leben auf der Erde basiert auf Kohlenstoff, das Element, was die meisten Verbindungen eingehen kann.

Wo kommt der Kohlenstoff her?

Alle Elemente sind durch Verschmelzung leichterer Atomkerne entstanden. So hat Wasserstoff Helium gebildet, Helium den Kohlenstoff, die beiden zusammen dann Sauerstoff u.s.w.

Solche Kernfusionsprozesse erfordern hohe Temperaturen, denn die positiv geladenen Atomkerne stoßen sich stark ab.

Auch bei hohen Temperaturen funktionieren die Fusionen nur, weil der sog. Tunneleffekt nachhilft. Da alle Atomkerne auch Welleneigenschaften haben, prallen die Wellen nicht einfach ab, sondern sie können sich etwas durchdringen (das nennt man Evaneszenz, eine Erscheinung, die auch bei der Totalreflexion bekannt ist und auch bei Touchscreens eingesetzt wurde) .

Beim Urknall lagen zwar auch hohe Temperaturen vor, aber nur für sehr kurze Zeit stimmten Temperaturen und Dichten so, dass aus Wasserstoff Helium wurde. Danach war der Kosmos für weitere Fusionen zu groß und zu kühl.

Das sollte dann dem Inneren der Sterne vorbehalten sein.

Dort kennt man die Heliumfusion zu Kohlenstoff als "Helium-Brennen".

Was passiert dabei?

Helium hat zwei Protonen, Berylium vier Protonen. Da jeweils auch gleich viele Neutronen vorkommen spricht man von He 4 und Be8.

Bei der Fusion von zwei He4-Kernen bildet sich Be8, das aber sofort wieder zurück zerfällt in zwei Heliumkerne, also sehr instabil ist. Deswegen war beim Urknall bei Helium Schluss...

Im Inneren der Sterne ist aber die Dichte so hoch, dass in der extrem kurzen Zeit, in der das Beryllium existiert, ein dritter He4-Kern dazu kommen kann.

Dabei entsteht ein hochangeregter (d.h. mit viel Energieüberschuss versehener) C12-Kern.

Das schauen wir uns mal in Bildern an (aus sternentstehung.de):

Beim Urknall:

Im Sterninneren:

Das nennt man den 3-Alpha-Prozess, weil Heliumkerne auch als Alphateilchen bezeichnet werden.
 

Die Energien der beiden Kerne Be und He ist gerade so groß, dass sich ein halbwegs stabiler Zustand für den C12-Kern bildet. Man nennt das eine Resonanz. Wären Be8, He4 und C12 nicht in Resonanz, würde diese Reaktion so selten sattfinden, dass wir kein Kohlenstoff hätten (und auch keine Überriesen, die Gold und Staub produzieren). Das wären schlechte Bedingungen für uns... 

Dieser resonante Zustand des Kohlenstoffs heißt auch Hoyle-Zustand nach Fred Hoyle.

Damit der Hoyle-Zustand durch den 3Alpha Prozess erreicht wird und sich damit Kohlenstoff bilden kann, müssen wohl extrem feine Abstimmungen vorliegen.

Wie fein, wird man nun berechnen können, denn seit einigen Jahren lässt sich der Hoyle-Zustand quantenmechanisch beschreiben.