Vom Staub vergangener Welten und Leinwänden aus Helium und Wasserstoff (Plus: Wilde Spekulationen)

Die analytische Planetologie (oder Kosmochemie oder Meteoritenforschung, wie auch immer) ist ein Forschungsgebiet, das irgendwo zwischen Geologie und Astrophysik liegt. Man untersucht extraterrestrische Materie, und versucht aus den Ergebnissen Hinweise auf die Vorgänge in unserem, aber auch anderen Sonnensystemen zu gewinnen.

Genau darüber geht es in dem Paper Likely detection of water-rich asteroid debris in a metal-polluted white dwarf von Raddi et al. (hier gleich für lau auf ArXiv, wie die meisten Paper unten auch)

Man will also die ‚forensischen‘ Labordaten der Meteorite und ähnlichem mit Fernerkundungsdaten anderer Sonnensysteme irgendwie zu verbinden. Und das ist nicht ganz so einfach. Vor allem wenn man sich auf die Zusammensetzung (Mineralogie, Chemie) und dazu noch auf terrestrische Körper konzentriert, also Stein/Eisenkugeln wie unsere Erde. Es gibt diverse Studien, die Daten über die Atmosphären größerer Exoplaneten geliefert haben, aber wenn es um die feste Materie (ich bin halt Mineraloge…) geht, wird es schwierig. Man kann halt nicht mal eine Raumsonde hinschicken, sondern ist auf astronomische Fernerkundung angewiesen.

Eine Möglichkeit ist, den Staub kaputter Planeten zu beobachten. Mittels Infrarotspektroskopie kann die mineralogische Zusammensetzung einigermaßen bestimmt werden. Aus der Mineralogie erhält man eine gute Idee der Chemie. Der Staub wird in der Regel in Kollisionen von Planetesimalen während des späten Planetenwachstums in sehr jungen Sonnensystemen während der Trümmerscheiben-Phase (wie z.B. Beta Pictoris) produziert. Oder man bedient sich der IR-Spektroskopie des Staubs, aus dem sich Planeten bilden, in den ganz jungen protoplanetaren Scheiben.

Eine weitere Möglichkeit ist, die staubigen Überreste vergangener Planeten in uralten Sonnensystemen zu beobachten, in denen vom Stern nur noch ein Überrest in Form eines weißen Zwerges übrig ist.

Ein weißer Zwerg ist das was von einem Stern niedriger/mittlerer Masse in der Größenordnung z.B. unserer Sonne ganz am Ende übrigbleibt. Wenn die wasserstoffverbrutzelnde Phase vorbei ist (bei unserer Sonne so in etwa 5-6 Milliarden Jahren), bläht sich der Stern zu einem roten Riesen auf, um dann noch Kohlenstoff, Sauerstoff und Helium zu verbraten. Am Ende dieser Epoche wird der Riesenstern instabil und wirft seine äußeren Schichten ab. Zurück bleibt ein kleiner, weißer Zwerg, in dem keine Fusion mehr stattfindet. Weiße Zwerge sind sehr dicht, mit in etwa der Sonnenmasse im Volumen der Erde.

Die Photosphäre eines weißen Zwerges besteht praktisch(erweise) nur aus Wasserstoff und/oder Helium. Alle anderen beobachteten Elemente müssen eine externe Quelle haben – vom Kern des Sterns kann nix hochkommen, und die starke Schwerkraft erlaubt keine lange Aufenthaltsdauer von Material in der Photosphäre. Es muss als irgendwas permanent von außen nachrieseln.

Lange Zeit nahm man an, dass es sich hierbei um Staub aus dem interstellaren Raum handelte. Über die letzten 10 Jahre entstand ein neues Modell für die Ursache der stellaren Luftverschmutzung (es wird tatsächlich als ‚pollution‘ bezeichnet). Die rote Riesen-Phase und nachfolgender Massenverlust sind nicht gut für die Stabilität eines Sonnensystems. Dadurch geraten Körper gerne zu nah an den dichten Stern, und werden von den Gezeitenkräften zerrissen und bilden eine Trümmer- und Staubscheibe, die im Stern endet.

Mittels hochauflösender Spektroskopie im optischen und ultravioletten Bereich kann eine Reihe an Elementen in dem Staub identifiziert und quantifiziert werden. Das sind in der Regel Sauerstoff, Magnesium, Silizium, und Eisen, aber auch z.B. Kohlenstoff, Kalzium, Titan, Chrom, Schwefel, Nickel. Die Vergleiche mit Elementverhältnissen in Meteoriten und planetaren Gesteinen zeigt erstaunliche Ähnlichkeit.

Hört sich abgefahren an, ist es auch. Aber es klappt. Und dies lässt auch hartgesottene Astrophysiker poetisch werden:

“The study of extrasolar planetary systems has provided a host
of surprises that include the realization that the photospheres
of many white dwarf stars are the graveyards for rocky bodies
that once orbited these … The photospheres present a tableau on
which the elemental compositions of these erstwhile asteroids
or rocky planets are displayed.”

Ein Gemälde oder eine Leinwand aus Helium und Wasserstoff, schöner kann man es nicht ausdrücken. So beginnen Zuckerman et al. ein (etwas älteres) Paper zu diesem Forschungsgebiet, dass mehr Aufmerksamkeit verdient hätte. Eine sehr schöne Übersicht findet sich auch in Jura, The Elemental Compositions of Extrasolar Planetesimals (ArXiv).

Aber zurück zum Paper von Reddi et al. Die Zusammensetzung der ‚Verschmutzung‘ in den äußeren Schichten des weißen Zwerges SDSS J1242 zeichnet sich durch einen Überschuss an Sauerstoff aus. Sauerstoff ist ein gesteinsbildendes Element, kein Problem hier. Aber (abhängig vom Modell) scheint ein ziemlicher Überschuss an O vorhanden zu sein. Dies könnte mit einem Anteil an Wasser (oder Eis) von fast 38% erklärbar sein. Das Verhältnis von Si zu O ist zudem ähnlich dem in den kohligen Chondriten vom Typ 2. Das sind Meteorite, die auf ihrem Mutterkörper (einem Asteroiden oder Planetesimal) durch die Einwirkung von Wasser alteriert wurden – genauer, sie wurden zu Matsch umgewandelt. Die Masse des Staubes liegt in der Größenordnung von Ceres, und ein ähnlicher Körper wäre wohl ein ganz guter Kandidat für den zerlegten Himmelskörper laut den Autoren.

Die anderen Element-Verhältnisse deuten auf achondritisches Material hin. Das sind Meteorite, die von Mutterkörpern stammen, die teilweise oder ganz aufgeschmolzen sind, und dann nach der Abkühlung einen Kleinplaneten mit Eisenkern und Silikatmantel gebildet haben. Ähnlich wie die Erde, nur in klein.

Allerdings findet sich in Achondriten (bisher) kaum Anzeichen für nennenswerte Mengen an Wasser. Und die oben genannten Chondrite vom Typ 2 gehören eben zu den Chondriten. Und das sind primitive Materialien, deren Mutterkörper wohl nicht aufgeschmolzen sind.

Das muss jetzt kein kompletter Widerspruch sein – es ist nämlich auch möglich, das Planetesimale teilweise intern aufschmelzen, aber an der Oberfläche eine primitive Mineralogie/Chemie behalten (z.B. dieser Abstrakt hier).

Und es ist schon erstaunlich, was man da an Planeten und Asteroiden-Leichen in früheren Veröffentlichungen zu dem Thema findet. Was die Sache zusätzlich interessant macht, ist die generelle Ähnlichkeit mit den extraterrestrischen Gesteinen in unseren Sammlungen. Anders gesagt, von der Chemie her scheinen die Körper unseres inneren Sonnensystems nix besonderes zu sein, sondern total gewöhnlich. Und 25% der weißen Zwerge zeigen erhöhte ‚Verschmutzung‘, also sollten Planetensysteme sehr häufig sein.

In einem Paper von Xu et al. kommt eine Mischung aus Achondriten (Howardite) und Chondriten (gewöhnliche Chondrite) den Elementen in der stellaren Atmosphäre vom weißen Zwerg G29-38 am nächsten. Da könnte also eine Ladung verschiedener Asteroide in den Stern rieseln. Kohlige Chondrite und Mesosiderite sind die Kandidaten für den zweiten weißen Zwerg, also wohl wieder ein Mix aus verschiedenen Planetesimalen oder Asteroiden.

In Xu et al., Elemental compositions of two extrasolar rocky planetesimals (hier für lau in ArXiv) geht es um Kandidaten mit  Elementen ähnlich der Gesamterde (Jura et al., 2012). Ein anderer weißer Zwerg mit dem schönen Namen NLTT 43806 hat gar eine Ähnlichkeit zu der Zusammensetzung von Kruste/oberer Mantel der Erde.

Wird aber noch besser.

In einem jüngeren Paper denken Jura et al. noch einige Schritte weiter. In A Pilot Search for Evidence of Extrasolar Earth-analog Plate Tectonics (ArXiv) stellen sie Überlegungen an, wie man sogar planetare geologische Prozesse aus diesen chemischen Daten herauslesen könnte.

Wenn sich also ein Planet aus chondritischem, primitivem Material bildet, findet die Differenzierung statt. Eisen, Nickel und Elemente mit ähnlichen Eigenschaften bilden den dichten Kern, um den herum sich ein Mantel formt, der vor allem aus den leichteren Silikaten besteht (aus den dominierenden Elementen Si und O), in die sich die ganzen anderen Elemente einbauen. Auf der Erde ging dieser Vorgang sehr weit, eben dank der Plattentektonik und der damit verbundenen permanenten geologischen Aktivität (aufschmelzen, neue Kristallisation) bildete sich eine sehr leichte Kruste ganz oben drauf.

Die Autoren vergleichen in ihrem Paper die Konzentrationen von Barium und Strontium mit Kalzium. Barium und Strontium sind in der kontinentalen Kruste der Erde im Vergleich zu anderen differenzierten Körpern (Mars, Mond, Vesta) extrem angereichert. Der Gedanke ist, das ein hohes Verhältnis zum weniger angereicherten Ca zumindest ein Hinweis auf eine Kruste ähnlich derer der Erde, und damit von Plattentektonik wäre. Das Ganze wird an zwei weißen Zwergen durchexerziert (GD 362 und PG 1225-079). Leider ohne Erfolg, Barium ist in geringen Konzentrationen schwer zu messen.

Ein weiterer Haken ist: um die fraktionierte Chemie der Kruste messen zu können, müsste selbige eigentlich auch vom Planeten abgetrennt werden, bevor sie in den Stern plumpst. Die Elemente aus der Kruste würden in das Innere gehen, so dass die Gesamtzusammensetzung des zerlegten Planeten sich nicht ändern würde.

Allerdings geht es in der Studie erst mal zum das Prinzip – und das ist vielversprechend, man muss jetzt halt viele Systeme durcharbeiten. Da geht noch was, und zwar ordentlich.

Und Plattentektonik wäre ein deutlicher Hinweis auf einen Planeten vom Schlage unserer Erde. Mit astrobiologischen Konsequenzen: (gut, das ist jetzt etwas spekulativ, aber von seriösen Wissenschaftlern). Höning und Spohn vom DLR in Berlin hatten dazu einen interessanten Tagungsbeitrag für die Europlanet 2014: The importance of the Earth’s biosphere in stabilizing the large fraction of continental coverage and the wet mantle of present day Earth.

Ein faszinierender Aspekt der Thematik ist, dass es sich eben um sehr alte Planetensysteme handelt. Und das regt die Phantasie schon an. Die ‚beobachteten‘ Welten wären alle deutlich weiter entwickelt als unsere Erde, die ja eher im mittleren Alter ist. Die Zusammensetzungen geben wohl eine Art Endstadium für planetare Körper wieder.

Wie oben erwähnt, das Ganze ist natürlich auch astrobiologisch interessant. Um mal ganz hemmungslos zu spekulieren, könnte man  Anzeichen einer fortgeschrittenen Zivilisation in der Chemie erkennen? Oder gar die Trümmer einer Dyson-Sphäre Verdampfte Kampf- und Todessterne ?  </fiebriger Blick> Ich höre besser auf, bevor ich zu sehr abdrifte.

Moooment – noch ein kleiner Nachschlag.

Es ist nämlich möglich, dass bereits sehr viel früher ein Exoplanet – indirekt und unwissentlich – mit dieser Methode entdeckt wurde. Die ersten sicheren Exoplaneten wurden 1992 um Pulsar PSR 1257+12 entdeckt. 1995 fand dann die erste Entdeckung (51 Pegasi b) um einen sonnenähnlichen Stern statt.

Spektroskopie im optischen Bereich fand erstaunlich früh statt. Ben Zuckerman von der UCLA fand bei der Recherche über die historische Entwicklung dieses scheinbar jungen Gebietes dann die Ergebnisse für den 14 Lichtjahre entfernten van Maanen 2 (auch Van Maanenes Stern) von Adriaan van Maanen, einem niederländischen Astronomen. Dieser bemerkte 1917 eine Ungereimtheit in dessen Spektrum. Van Maanen klassifizierte den Stern als F-Typ (also recht ähnlich unserer Sonne), obwohl er insgesamt ziemlich lichtschwach war. Aber die hohen Kalzium-Absorptionslinien waren dann wohl der Grund für seine Einordnung, und die noch primitiven Spektrometer spielten wohl auch eine Rolle. Und das Kalzium gehört eben zu jenen Elementen, die aus den zerbröselten Planeten und Asteroiden stammen…

Sicher, zu dem Schluss konnte man natürlich erst im Rückblick kommen, zu van Maanens Zeiten war die Astrophysik noch nicht so weit. Dennoch, es ist schon faszinierend, was sich in den großen Datenmengen so versteckt.

Mein Interesse an Planetologie und Raumforschung begann schon recht früh. Entweder mit der Apollo/Sojus Mission 1975. Spätestens aber mit dem Start der Voyager-Sonden 1977, ich erinnere mich noch wie ich mir mein Leben in der fernen Zukunft des Jahres 1989 vorzustellen versuchte, wenn eine der Sonden an Neptun vorbeifliegen würde.Studiert habe ich dann Mineralogie in Tübingen (gibt es nicht mehr als eigenständiges Studienfach). Anstatt meinen Kommilitonen in die gängigen Richtungen wie Keramikforschung zu folgen, nahm ich meinen Mut zusammen und organisierte eine Diplomarbeit über Isotopenanalysen von Impaktgestein aus dem Nördlinger Ries Einschlagkrater. Dem folgte dann eine Doktorarbeit über primitive Meteorite in Münster.Nach 10 Jahren als PostDoc in verschiedenen Ecken der Welt arbeite wieder am Institut für Planetologie in Münster, an Labormessungen für die ESA/JAXA Raumsonde BepiColombo, die demnächst zum Merkur aufbrechen wird.Mein ganzes Arbeitsleben drehte sich bisher um die Untersuchung extraterrestrischer (und damit verwandter) Materialien: Gesteine aus Impaktkratern, die ganze Bandbreite Meteoriten (von den ganz primitiven Chondriten bis hin zu Marsmeteoriten). Zu meiner Forschung gehören auch Laborexperimente, in denen Vorgänge im frühen Sonnensystem nachgestellt wurden.Mein besonderes Interesse ist, die Laboruntersuchungen von extraterrestrischem Material mit Fernerkundungsdaten (im Infrarot) zu verknüpfen. Das vor allem mit Daten aus der planetaren Fernerkundung durch Raumsonden, aber auch mit Beobachtungen junger Sonnensysteme durch Teleskope.

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