Ganz weit draußen und ganz tief unten: Von Supernovae und Bohrkernen

Dank zusätzlicher Motivation durch die Scilogs16, nach einer gewissen Verzögerung endlich, endlich ein neuer Beitrag.

Wie schon öfters erwähnt, was mich persönlich an der Planetologie reizt ist die Verbindung von eigentlich unterschiedlichen Fachgebieten – Astronomie, Astrophysik mit Geowissenschaften, Chemie und so weiter. Und da hat es in jüngster Zeit ein paar sehr passende Veröffentlichungen gegeben. In Recent near-Earth supernovae probed by global deposition of interstellar radioactive 60Fe (hier die Presseverlautbarung) veröffentlicht von einer weltweit verstreuten Gruppe um Erstautor Anton Wallner (arbeitet an der sehr renommierten Australian National University in Canberra) geht es also zunächst mal um Supernovae (ist glaube ich der korrekte lateinische Plural, wenn mich mein weitestgehend verschüttetes großes Latinum nicht täuscht).

Eine Supernova geschieht (Achtung, grob fahrlässig vereinfachte Vereinfachung), wenn ein Stern mit deutlich höherer Masse als unsere Sonne (mindestens 8 mal oder mehr) am Ende seiner Lebenszeit instabil wird. Der lange Zeit massig vorhandenen Wasserstoff geht zu Neige, da fusioniert (es gibt da aber mehrere Varianten). Ohne den Druck von Innen wird das Sternengebilde instabil,  die äußeren Sternenschichten stürzen nach innen. Ergebnis: es zerlegt sich mehr oder weniger der Stern in einer gewaltigen Explosion. Und dabei werden Unmengen an Material in den Orkus geblasen, aus dem dann sehr kleine Staubpartikel kondensieren. Dieser Staub reichert das Interstellare Medium an, aus dem sich dann wieder große Molekül- und Staubwolken bilden, in denen dann wieder neue Sonnensysteme entstehen, und der Kreislauf von vorne beginnt. In Form von präsolaren Körnern in Meteoriten, oder Interplanetaren Staubpartikeln z.B. von Kometen sind solche Zeugen kosmischer Katastrophen heute zahlreich für Laboruntersuchungen verfügbar.

Natürlich kommt es auch vor, dass schon reifere Himmelskörper (wie z.B. unsere gute, alte Erde) solchen Staubpartikeln in die Quere kommen. Und da wird es interessant – denn wenn man das Supernova-Material aus jüngeren Ereignissen zeitlich einordnen könnte, dann würde man einiges über die galaktische Nachbarschaft der Erde erfahren. Unser Sonnensystem scheint in einer Region eher dünnen Interstellaren Mediums zu liegen, einer Blase (Local Bubble), die wohl von Supernova-Explosionen gebildet wurde.Diese würden wohl bei entsprechender Nähe durchaus Einfluss auf die Biosphäre haben. Bei den in Meteoriten oder IDP untersuchten präsolaren Teilchen hat man nicht die Möglichkeit, man weiß nur daß es halt mal gekracht hat, irgendwo da draußen.

Dummerweise ist unser Planet geologisch recht aktiv, was so auf die Oberfläche herabrieselt, wird auch schnell  weggespült, weggeweht, oder mit anderem Zeugs vermengt. Also braucht man Proben von Orten, wo über die letzten Millionen Jahre Material sich ruhig und sanft abgelagert hat, immer schön eine Schicht auf der anderen. So daß der ursprüngliche geologische Kontext – und damit eindeutige zeitliche Einordnung – erhalten bleibt. Sedimentation also. Und da gibt es durchaus Kandidaten, zum Beispiel in Bohrkernen vom Ozeanboden. Davon wurden 4 untersucht. Dazu kamen Eisen-Mangan-Knollen und chemisch ähnliche Krusten um Tiefeseegesteine. Diese bilden sich auch langsam, eine Schicht nach der anderen.

Wie aber misst man den Staub ? Andere Frage: was mag der Kosmochemiker am liebsten ? Genau, Isotope. Und da unsere Erde schröckliche Dinge mit dem hilflosen komischen Staub anstellt (es ist einfach zu nass und sauerstoffreich hier) ist das Beste, was unter diesen Umständen analytisch sowohl eindeutig auf Supernova Material hindeutet, ist ein Isotop des Eisens, 60Fe. Das wird in massereichen Sternen kurz vor der Supernova gebildet, also ein prima Marker für so ein Ereignis. Aber man war auch am Alter der potentiellen Ereignisse interessiert. Für die radiometrische Datierung wurden dann noch 26Al und 10Be verwendet, eher kurzlebige Isotope, die sich so für geologisch recht rezente Ereignisse am besten eignen. Nur handelt es sich bei den Supernova-Kondensaten um winzige Staubbrösel, in der Regel kleiner als 1 Micron. Also ist nicht viel an 60Fe im Material zu erwarten. Um das (und die anderen Isotope) von Kernen und Molekülen ähnlicher Masse abzusondern, musste eine spezielle Technik der Massenspektrometrie aufgefahren werden, da herkömmliche Massenspektrometer da an ihre Grenzen stoßen. Es handelt sich um AMS, Accelerator Mass Spectrometry. Diese hochauflösende Technik wird gerne für die Kohlenstoffdatierungen verwendet.

Dazu müssen erst mal die Elemente mit den Isotopen chemisch abgetrennt werden. Diese werden ionisiert, und in einem Teilchenbeschleuniger dann auf stramme Geschwindigkeiten beschleunigt. Um einen wirklich reinen Ionenstrom ohne Moleküle oder deren Fragmente zu erhalten, die die Massenspektren zukleistern könnten, werden die Ionen dann noch durch Kohlenstoff Folien (brutal!) gejagt, und die unerwünschten Trümmer massenspektroskopisch abgeschnorchelt. Und erst der klägliche Haufen an Ionen, der übrig bleibt, wird detektiert – und zwar sprichwörtlich Atomkern für Atomkern.

Und der Aufwand (es wurden gleich drei verschiedene AMS verwendet) hat sich gelohnt. Zum einen wurde festgestellt, dass sich die 60Fe Anreicherungen wohl weltweit verteilen. Das alleine spricht schon dafür, dass es sich hier um ein massives, extraterrestrisches Ereignis gehandelt haben muss.  Es konnten zumindest zwei Supernova Explosionen in der näheren galaktischen Umgebung der Sonne datiert werden: ein Ereignis irgendwann vor 1.5-3.2 Millionen, ein weiteres vor 6.7-8.7 Millionen Jahren. Die langen Zeiträume deuten auf jeweils mehrere Supernova-Explosionen hin, es scheint also alle paar Millionen Jahre so richtig in der Nachbarschaft abzugehen – 70-100 Parsec werden angenommen (1 Parsec=3.26 Lichtjahre), basierend auf dem Durchmesser der lokalen Blase.

Die Frage ist jetzt natürlich, ob zeitgleich irgendetwas von Interesse auf unserer Erde passiert ist. So gibt es vor 8 Millionen Jahren erhöhte Konzentrationen an dem Helium-Isotop 3He, das auch auf kosmische Ereignisse hindeutet, sowie starke Temperaturänderungen in dieser Zeit. Vor 3 Millionen Jahren kühlte sich der Planet während des Pleistozäns ab. Das alles kann, muss aber natürlich nicht in Zusammenhang mit den Supernovae stehen, ist aber schon mal interessant. Auch interessant sind die errechneten Staubmassen (natürlich alles ziemlich über den Daumen gepeilt, also auf dem Niveau von Größenordnungen zu verstehen), die auch zu denen von Supernovae passen.

Noch besser: Fast zeitgleich erschien ein Paper Interstellar Fe60 on the Surface of the Moon von Erstautorin Leticia Fimiani (TU München) in den Physical Review Research Letters (basierend auf ihrer Dissertation; Presseverlautbarung da), das das Ganze mit Mondproben durchspielt (von Apollo 12, 15 und 16). Wieso jetzt der Mond, wenn wir das Material schon auf unserem Planeten haben? Der Mond hat, im Gegensatz zur immer noch für Sonnensystem Verhältnisse hyperaktiven Erde (Tektonik ! Wasser ! Sauerstoff (Kreisch!)) die letzten paar Milliarden Jahre eher geruhsam verbracht, von gelegentlichen größeren Einschlägen und dem ärgerlichen Space Weathering (Mikrometeorite, Strahlung etc.) mal abgesehen. Also sollte was auch auf die Erde herniederrieselte, auf dem Mond mindestens genauso herumliegen.

Und tatsächlich wurde auch was gefunden. Zwar konnte das Ereignis nicht datiert werden, aber es konnte aus der Menge die etwaige Entfernung des Ereignisses geschätzt werden, etwa 300 Lichtjahre. Passt also.

Nicht ganz zufällig gibt es dann ein weiteres Paper zum Thema, in dem dann auch noch über die Lage der verschieden Ausgangssterne spekuliert wird: The locations of recent supernovae near the Sun from modelling 60Fe transport, von Dieter Breitschwerdt (und Mitautoren) am Berliner Institut für Technologie, Presseverlautbarung hier. Ergebnis: die Supernovae fanden in 90-100 Parsec Entfernung statt, basierend auf Modellierungen der Schockfront. Und diese Explosionen hätten auch tatsächlich die lokale Blase gebildet, man hätte also das wohl einschneidenste Ereignis unserer galaktischen Nachbarschaft der letzten 10 oder so Millionen Jahre gemessen, schon irgendwie beeindruckend. Es gibt sogar Hinweise auf den Entstehungsort (oder genauer: der Sternenhaufen, wo die Explosionen stattfanden): es ist die Scorpius-Centaurus Assoziation, heute 380-470 Lichtjahre entfernt.

 

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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  1. Der letzte Supernovaausbruch in unserer eigenen Galaxie wurde von Kopernikus 1604 beobachtet. Das war im Fuss des Schlangenträgers, etwa 6000 Parsec (20’000 Lichtjahre) entfernt. Zu weit weg also um irgendeinen Einfluss auf die Erde zu haben. Und dennoch war die maximal erreichte Helligkeit -2.5 mag, heller als der Mars und der Jupiter. Wenn es vor 2 und vor 7 Millionen Jahren Supernovae-Ausbrüche in nur 100 Parsec Entfernung (326 Lichtjahre) gegeben hat, dann mussten diese von der Erde aus gesehen gleissend hell gewesen sein, fast so hell wie der Vollmond wohl.
    Hier wird also über Supernovae-Staub berichtet, der schliesslich die Erde erreicht hat. Dieser Staub hat quasi eine Raumfahrt hinter sich und muss sich (bei einem Supernova-Ereignis vor 2 Millionen Jahren) mit mindestens 0.1 Promille der Lichtgeschwindigkeit fortbewegt haben. Das sind 30 km pro Sekunde, also das 3-fache der Erdfluchtgeschwindigkeit. Das ist immerhin schneller als das schnellste vom Menschen gebaute Raumfahrzeug je erreichte (Rekord ist 11 km/Sekunde). Diese (Minimal-)Geschwindigkeit ist allerdings nur nötig, damit der Staub es in 2 Millionen Jahre Reisezeit bis jetzt auf die Erde geschafft hat. Doch das Herunterregnen von Supernovae-Staub ist wohl schon viel länger passiert und die Reisegeschwindigkeit des Staubes war somit viel grösser.
    Hier im Artikel wird über folgendes spekuliert: Vor 3 Millionen Jahren kühlte sich der Planet während des Pleistozäns ab. Das alles kann, muss aber natürlich nicht in Zusammenhang mit den Supernovae stehen, ist aber schon mal interessant. Man könnte vielleicht auch spekulieren, dass die kleine Eiszeit im Mittelalter auf heruntergeregneten Supernovastaub zurückzuführen war. Dann nämlich, wenn der Staub doch recht langsam unterwegs wäre.
    Allerdings denke ich schon, dass der Supernovastaub eine recht grosse Reisegeschwindigkeit haben muss, denn bei einem solchen Ausbruch werden ja ungeheuere Energiemengen freigesetzt. Die Schockwelle kann also wohl schon Geschwindikgeiten von mehreren Prozent der Lichtgeschwindigkeit erreichen. Die hier gemessene Schockwellengeschwindigkeit beträgt 19.000 Kilometer pro Sekunde. Das ist immerhin mehr als 5% der Lichtgeschwindigkeit.

    • Bedrohlich erdnahe Supernova-Ausbrüche (< 33 Lichtjahre entfernt) gibts durchschnittlich alle 240 Millionen Jahre. Durch die dabei freigesetzte Gammastrahlung kann die Ozonschicht zerstört werden. Nach heutigem Wissen gibt es aber momentan keine Kandidaten für die Erde gefährdende Supernovaausbrüche in der nahen Zukunft.
      Der Staub von Supernova-Ausbrüchen bildete den "Humus" für die Bildung von Gesteinsplaneten wie der Erde. Solche Supernova-Ausbrüche können aber auch alles Leben beenden, wenn sie nah bei einem belebten Planeten stattfinden.

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