Marsmeteorite: Sample-Return, gratis

Und jetzt mal ein Eintrag zum Thema Mars. Ich verbringe ich die Tage gerade in einem fensterlosen Kellerlabor mit der Untersuchung unter anderem von mars-ähnlichem Material, bin also in der richtigen Stimmung.

Bei einem großen Meteoriten/Kometeneinschlag auf einem Planeten dringt der Impaktor, der einschlagende Körper, gerne kilometertief tief in den Untergrund ein. Dabei wird  zum einen Material schlichtweg verdampft und aufgeschmolzen. Zusammen mit stark zerschlagenem Gestein aus dem Untergrund wird das alles ausgeworfen, und legt sich wie ein Leichentuch über die zerstörte Umgebung. Eine sehr umfangreiche Übersicht über Impakte und die involvierten Prozesse, Traces of Catastrophe von Bevan French, findet sich für lau hier.

Ein wichtiges Stichwort ist die Schockmetamorphose, bei der die Minerale des Targets, also des Einschlaggebietes durch Druck und Hitze schon im festen Zustand umgewandelt werden, oder gleich schmelzen oder verdampfen. Vom einschlagenden Körper bleiben bei großen Einschlägen oft nur noch chemische oder isotopische Spuren in Gläsern zurück, die durch schnell abgeschreckte Schmelzen entstanden.

Was Impakte neben dem Spektakel (große Krater etc.) und grundlagenforschungstechnischem Interesse für die Planetologie zusätzlich sehr interessant machen ist, dass durch die großen Impakte Material bis über die Fluchtgeschwindigkeit eines Planeten hinaus beschleunigt werden kann. Auf diese Weise kamen wir zu den Mond- und Marsmeteoriten. Also eine Gratis-Sample-Return Mission.

Das bringt uns zu einem interessanten Paper zu dem Thema, welches kürzlich von Yang Chen (Jet Propulsion Laboratory, Pasadena) und einigen Mitautoren in Earth and Planetary Science Letters veröffentlicht wurde: Evidence in Tissint for recent subsurface water on Mars. Hier zwei verwandte Tagungsabstrakts.

Tissint fiel im Juli 2011 über Marokko (auch schon wieder lange her). Ungefähr drei Monate später wurden die ersten von inzwischen knapp 11 Kg Material gefunden. Bei Meteoriten ist es, gerade wegen der Kontaminationsprobleme (Terrestrial Weathering) besonders wichtig, dass sie schnellst möglich nach dem Fall eingesammelt werden. Der wissenschaftliche (und kommerzielle) Wert von den Funden (‘Finds’) ist deshalb besonders hoch.
Tissint fällt da in eine Lücke – die drei Monate in der Wüste hören sich jetzt nicht besonders viel an, aber man weiß halt nicht was mit dem Meteoriten in der Zwischenzeit so passiert ist. Die Probe könnte mit der einheimischen Flora und Fauna in Kontakt getreten sein (z.B. Getier darauf gepinkelt haben. Soll schon passiert sein).

Aber unter den über 100 Marsmeteoriten gibt es gerade 5, die schnell nach dem Fall eingesammelt wurden, da kann man nicht wählerisch sein. Tissint ist das, was bisher einer Sample-Return Mission vom Mars am nächsten kommt, und gerade wegen der Suche nach potentiellen Lebenspuren sehr vielversprechend. Entsprechend war das Interesse an Tissint, aber lange Zeit war zumindest mein Eindruck, dass  der Klotz dann doch nicht ganz so interessant war, eben nur ein recht gewöhnlicher Shergottit, eine der Gruppen an Marsmeteoriten.

In dem Paper geht es die volatilen, flüchtigen Bestandteile – H2O, CO2, Fluor, Chlor. Natürlich ist vor allem Wasser interessant, wegen Astrobiologie und so. Das Augenmerk ist auf Subsurface Water, also Aktivität von Wasser nahe, aber nicht ganz an der Oberfläche, aber dafür in möglichst jüngerer Vergangenheit (im Sinne von hunderten Millionen Jahren).
Ziel der Studie war, irgendwelche Signaturen in den Volatilen zu finden, die eindeutig einen Ursprung des Wassers in magmatischen Vorgängen, also bei der Entstehung der Minerale in der Schmelze, ausschließen. Das Wasser auf einem terrestrischen Planeten vorkommt, ist ja zunächst nicht ganz verwunderlich – tut es ja auch unserer Erde, trotz ihrer bewegten Frühgeschichte, wo schon mal der ganze Planet aufgeschmolzen wurde. Aber wenn man an Wasser gerade als Grundlage für Leben interessiert ist, sollte es schon eher nahe der Oberfläche vorkommen.

Und auf unserem Heimatplaneten befindet sich das meiste Wasser wohl nicht an der Oberfläche, sondern im Erdmantel – das ist der Bereich unterhalb der dünnen, bestenfalls 40 oder so Kilometer dicken Erdkruste. Die die Bereiche, wo meiste Wechselwirkung zwischen Wasser und ‘Leben’ abspielt, ist wiederum im Wesentlichen auf die Kruste beschränkt.

Deshalb wäre es von Interesse, ob es in Marsproben Hinweise auf verschiedene solche ‘Reservoire’ an Wasser gibt. Also Wasser, das oben vorkam, und anderes eben tiefer im Planeten. Dazu müsste man aber Unterschiede im Wasser selber feststellen. Wasser besteht aber dummerweise im Wesentlichen aus Wasserstoff und Sauerstoff. Wie unterscheide ich also Wasser aus verschiedenen Quellen oder Reservoiren?

Ein Weg wäre die Chemie von im Wasser gelöstem Material. Ist leider in dem Fall technisch schwer machbar, da das Wasser entweder in die Kristalle eingebaut ist, oder sich in sehr kleinen Bläschen mit einem Durchmesser von maximal 10 µm befindet. Das würde eine Untersuchung etwaiger gelöster Bestandteil schwierig machen, da selbst mit den hochauflösenden Instrumenten zu viel Material von der Umgebung mit gemessen werden würde.

Bleiben noch die Isotope, das Allheilmittel der modernen analytischen Planetologie. In diesem Fall wurden die Isotope vom Wasserstoff untersucht. Das ist analytisch (relativ) einfach, da die Massenunterschiede der Isotope zueinander sehr groß sind. Die Isotope lassen sich also relativ einfach im Massenspektrometer unterscheiden. Außerdem ist das Isotopensystem schön empfindlich, also sollten sich in den Verhältnissen der Isotope Prozesse wie z.B. irdische Verwitterung schnell abzeichnen (oder ausschließen können). Sauerstoff wäre weniger praktisch, da die umgebenden Minerale zu einem großen Teil aus Sauerstoff bestehen.

Untersucht wurden Gläser in der Probe. Diese entstanden wohl bei dem Impakt, der den Meteoriten in den Weltraum beförderte (wobei ich mich wundere wieso die so sicher sind ob das alles nicht schon bei einem früheren Einschlag entstanden sein könnte). Wichtig ist, dass hier in Form der Gläser ein Material vorlag, das eindeutig  einem Ereignis nach der Kristallisation des eigentlichen Ursprungsgesteins aus einer magmatischen Schmelze zugeordnet werden kann. Und in solchem Material könnte man dann etwaige Volatile eher späteren Einwirkungen von Wasser zuordnen. Eine Möglichkeit wären z.B. beim Einschlag aufgeschmolzene, durch Wassereinfluss in Ritzen entstandene Sekundärminerale wie Karbonate (siehe auch etwas weiter unten).

Also wurden die Proben aus Tissint (unter anderem) mit einer Ionensonde (SIMS) auf (unter anderem Wasserstoffisotope) untersucht. Das Material wurde mit einem Ionenstrahl beschossen, der wiederum Ionen von sehr kleinen Punkten auf den hochpolierten Proben los fräste, in dieser Studie von 10 µm großen Stellen (das ist ein hundertstel Millimeter). Diese wurden in einem Massenspektrometer der Masse nach sortiert und gezählt.

SIMS waren noch so vor 15-20 Jahren extrem teure Großgeräte, die nur in relativ wenigen Labors zugänglich waren. Über die letzten zehn oder so Jahre scheinen SIMS-Labore aber regelrecht aus dem Boden zu schießen, ist zumindest mein Eindruck. Da ist ein richtiges Wettrüsten im Gange.

Was also kam bei dem Ganzen heraus ? Die Messungen fallen zwischen zwei deutlich verschiedene Endpunkte, deren Zusammensetzungen auf zwei verschiedene Reservoire hindeuten. Ein Reservoir hat hohe Gehalte an Wasser und anderen Volatilen (gut, ca. 2% Wasser, aber das ist schon ordentlich), das andere deutlich weniger. Und die Isotopenverhältnisse des Wasserstoffs sind ebenfalls deutlich verschieden, man hat also mit Wasser verschiedener Herkunft zu tun. Und die hohen Werte lassen sich gut mit Wechselwirkungen mit einer Atmosphäre erklären.

Das Reservoir mit niedrigem Wassergehalt hat die Isotopenverhältnisse typisch für den Mars-Mantel, da wo die Ausgangsschmelze für das Muttergestein herkam.

Wann ist das alles passiert ? Die Muttergesteine kristallisierten vor 600 Millionen Jahre, der Meteorit wurde vor ungefähr 1 Million Jahren in den Weltraum geblasen. Also muss es noch irgendwann in der Zwischenzweit flüssiges Wasser nahe der Oberfläche gegeben haben, dass mit der Atmosphäre wechselwirkte. Kein direkter Beweis für Marsbazillen oder ähnliches, aber ein weiterer Hinweis, das zumindest die Umgebung stimmte.

Und ein Ausgangsmaterial ähnlich dem für die oben beschriebenen Gläser könnte in einer relativ kürzlich erschienenen britische Studie von Tomkinson et al. (Glasgow) beschrieben worden sein. Die Kollegen untersuchten den Marsmeteoriten Nakhla (eine andere Gruppe an Marsmeteoriten), dessen Petrologie auf eine Bildung nahe der Oberfläche hindeutet. Die Untersuchung konzentrierte sich auf gerade mal 1-2 µm (also tausendstel Millimeter) breite Risse in Olivin (einem sehr gewöhnlichen, eisen- und magnesiumhaltigen Silikat). Dabei entdeckten sie Umwandlungsprodukte des Silikates, Schichtsilikate (ähnlich Tonmineralen) und, das ist der Punkt, Siderit. Das ist ein eisenhaltiges Karbonat, recht ähnlich Kalkstein (Ich weiß, ganz üble Holzhammermineralogie). Diese Minerale benötigen Wasser für ihre Bildung, Karbonate zudem CO2. Das darauf basierende Modell schlägt die Bildung solcher Minerale als den Grund für den Verlust der früheren, dichteren Marsatmosphäre vor.

Und noch ein kleiner Nachschlag: Das ganze Manöver geht auch in die andere Richtung – irdisches Material könnte (und wurde wohl auch) per Einschlag zu anderen Planeten befördert werden. Rachel Worth und Co-Autoren haben vor einiger Zeit ein interessantes Paper (hier in Arxiv) in Astrobiology veröffentlicht, in dem es um die Möglichkeit geht, dass Material von der Erde durch Asteroiden- oder Kometeneinschläge auf andere Körper des Sonnensystems transportiert wurde.

Und die Ergebnisse sind recht beeindruckend, über die letzten 3.5 Milliarden Jahre könnten laut dem Modell z.B. von der Erde zur Venus zu 10 hoch 12 Kg (eine Milliarde Tonnen !) an Gestein transportiert worden sein, zum Mars 10 hoch 11 Kg. Selbst die Monde von Jupiter und Saturn würden mit hunderten bis tausenden Tonnen an organisch-wutzigem Erdgestein beglückt werden.

Ein interessanter Punkt der Studie ist, dass Milliarden Tonnen an Erdmaterial sich ganz aus dem Sonnensystem davonmacht. Eine Studie des umtriebigen Jay Melosh kommt aber zum Schluss, dass interstellare Panspermie sehr unwahrscheinlich ist.

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.

11 Kommentare Schreibe einen Kommentar

  1. So ein Meteoritenimpakt übertrifft jede bunkerbrechende Waffe um viele Zehnerpotzenzen. Nicht einmal die USA sollen in der Lage sein, die unterirdischen Nuklearanlagen des Iran mit Bomben völlig zu vernichten, aber jeder ein paar Meter grosse Meteorit könnte das ohne weiteres wenn er genau am richtigen Punkt einschlägt.

    Solche Impakete sind aber gemäss obigem Beitrag nicht nur häufig so gewaltig, dass sie Sekundärmeteorite ins innere und äussere Sonnensystem hinausschleudern können, sondern auch noch so häufig, dass viele Millionen Tonnen Erdmaterial sich schon auf Reisen dortihin und gar zu anderen Sternen gemacht haben. Damit erhält die Panspermie-Hypothese starken Auftrieb, zumal Experimente ergeben haben, dass selbst einfache multizelluläre Organismen wie “Bärtierchen” mindestens 10 Tage im freien Weltraum überleben können. Experimente haben auch ergeben, dass gewisse Flechten und Moose unter Marsbedingungen existieren könnten.

    Wenn da Jay Melosh zum Ergebnis kommt, eine Interstellare Panspermie sei unwahrscheinlich, dann schliesst er ja damit explizit nicht aus, dass Lebenskeime es von der Erde zum Beispiel zum Enceladus oder Mars geschafft haben und dort Lebenskolonien aufgebaut haben.

    • Sicher, die Möglichkeit besteht durchaus, aber es läuft halt alles auf Statistik hinaus. Und es muss alles schon gut laufen – so scheint z.B. ein Planet von der Größe Jupiters scheint nötig zu sein, um Material aus dem Sonnensystem hinauszuschleudern, aber auch für das Einfangen (wenn ich das richtig verstanden habe). Und die Reise durch den interstellaren Raum würde sehr, sehr lange dauern.

      • […] so scheint z.B. ein Planet von der Größe Jupiters scheint nötig zu sein, um Material aus dem Sonnensystem hinauszuschleudern, aber auch für das Einfangen (wenn ich das richtig verstanden habe).

        Was das Herausschleudern angeht, stimme ich zu, aber wenn es um das Einfangen geht, dann nur bedingt. Ein Objekt, das ein anderes Sonnensystem verlassen hat, das sich noch im Prozess der Akkretion befindet, dürfte noch reich an volatilem Material sein. Wenn ein solches Objekt ins Sonnensystem eintritt und der Sonne nahekommt, wird etwas von dem volatilen Material verdampfen. Dabei muss zwangsläufig ein Impuls auf den Körper übertragen werden. Dies kann eien Abbremsung erzeugen, muss aber nicht.

        Es ist möglich, zumindest wenn die hyperbolische Ankunftsgeschwindigkeit gering war, dass die Abbremsung ausreicht, um aus einer hyperbolischen eine hochelliptische Bahn zu machen. Dann kommt das Objekt der Sonne immer wieder nahe, selbst wenn zwischen dem ersten und dem zweiten Periheldurchgang Hunderttausende Jahre liegen sollten.

        Damit aus einem solchen Objekt allerdings ein Objekt mit niedriger Bahnperiode (einige Jahrzehnte oder gar unter 10 Jahre oder weniger), bedarf es allerdings starker gravitativer Wechselwirkung. Ich bin mir aber nicht sicher, wie effektiv der Jupiter der Bahn eines solch hochexzentrrischen Objekts derartig viel Energie entziehen soll.

        Die Kometen der Jupiter-familie dürften ursprünglich zum absolut überwiegenden Teil dem Kuiper-Edgeworth-Gürtel und der Scattered Disk entstammen; sie sind erst von Neptun, dann von Saturn und zuletzt von Jupiter nach unten durchgereicht worden.

        Das ist ähnlich wie im Rotlichtviertel. Zum Rausschmeißen genügt ein einziger, voluminöser Kerl. Aber das Reinholen ist ein viel komplexerer und multifaktioriellerer Vorgang, da könnte der voluminöse Kerl in vielen Fällen eher stören als helfen.

        • Ich bin was Bahndynamik angeht, völliger Laie – die Sache mit Jupiter basiert auf dem Paper von Melosh, und das ist schon wieder 12 oder so Jahre alt. Ich denke, da hat sich einiges getan in der Thematik seitdem. Ich glaube auch mich erinnern zu können, dass Melosh selber in der Zwischenzeit auf Tagungen nachgelegt hat, konnte aber keine Veröffentlichungen finden.

    • Danke, gerne geschehen. Das Werk von Bevan French ist wirklich höchst empfehlenswert, ist eigentlich alles drinnen zur Einschlagsthematik. Und im Wesentlichen immer noch aktuell, auch nach 17 Jahren.

      • Ist bereits heruntergeladen und wird demnächst gelesen.

        Vor dem Hintergrund der aktuellen Asteroidenpanik ganz interessant ist Kapitel 2 und die darin enthaltene Tabelle. Die Gegenüberstellung verschiedener Impaktszenarien mit vergleichbaren irdischen (Natur)katastrophen ist sehr erhellend.

  2. Jeder Meteorit ist Gold wert – nicht nur wenn er vom Mars oder Mond stammt. Diese Tatsache allein schon würde ein Meteoritenüberwachungssystem und ein Asteroiden- und Kometensuchprogramm rechtfertigen, welches allle Körper bis hinunter zu den ganz kleinen Brocken erfassen will, die einmal mit der Erde kollidieren können.

    Würden wir alle Brocken kennen, die bald auf die Erde stürzen oder wären wir mindestens in der Lage alle Meteore zu beobachten und aus ihren Bahnen den Auftreffpunkt auf der Erde zu bestimmen, könnten wir Metoriten, ihre Bruchstücke und Impaktkrater schon aufsuchen, wenn sie noch ganz frisch sind und nicht kontaminiert sind. Nur schon das wäre viel wert. Praktisch nebenbei hätte man damit auch ein Warnsystem für die gefährlichen Meteorite, welche die vom Menschen bewohnten Gebiete als Auftreffpunkt haben.

    • So ein System scheint gerade im entstehen zu sein – z.B. mit Hilfe der Daten aus Wetterradar. Ob sich das zu einem echten Frühwarnradar umbiegen lässt, keine Ahnung. Aber die Fälle scheinen damit großflächig erkennbar zu sei

  3. Nach Martin Rees wäre eine Investition vn 1 Milliarde Dollar pro Jahr für das Asteroidenrisiko gerechtfertigt – wenn man wie eine Versicherung das Schadensrisiko und die Schadenshäufigkeit berücksichtigt. Die doch recht hohe Summe stammt daher, dass ein einziger Impakt bereits riesige Schäden und viele Tote bedeuten kann. Doch die Zeiträume in denen man mit bedeutenden Impakten rechnen muss sind wirklich sehr lang, sie liegen im Bereich von mehreren Jahrhunderten oder noch längeren Zeitspannen: Deshalb ist der NewScientist-Artikel aus dem ich die obigen Überlegungen wiedergebe mit Don’t fear apocalyptic asteroids: you’re safer than you think übertitelt.

    Nachschlag: Wieviel ist eine Milliarde US-Dollar auf die ganze Welt gesehen?
    Das Weltbruttoprodukt beträgt im Jahr 2014 77 Billionen US-Dollar. Eine Ausgabe von 1 Milliarde Dollar pro Jahr für den Schutz gegen Impaktfolgen wären damit weniger als 1/10 Promille des Welt-BIP. 1 Milliarde Dollar ist auf die ganze Weltökonomie umgerechnet sowieso sehr wenig. Um ein Beispiel zu geben: Jeden Tag werden weltweit deutlich mehr als 10 Milliarden Dollar für Rohöl ausgegeben.

  4. Galactic Panspermia beschäftigt sich mit der Wahrscheinlichkeit, der Verbreitung von Leben (Mikroorganismen) über galaktische Skalen – also beispielsweise innerhalb unserer Milchstrasse.
    Der Artikel zeigt, dass bei genügend langer Überlebenszeit von Mikroorganismen, eine Verbreitung im galaktischen Massstab gar nicht so unwahrscheinlich ist. Die Beschleunigung auf die nötige Reisegeschwindigkeit kann vom Ausstoss aus Bahnen sein, die nahe an schwarzen Löchern vorbeiziehen.
    Hier ein kurzer Ausschnitt aus den Schlussfolgerungen (übersetzt von DeepL):
    Es besteht kein Zweifel daran, dass felsiges Material zwischen nahegelegenen Planeten wie Mars und Erde oder den Planeten des TRAPPIST-1-Systems (Lingam & Loeb 2018c) leicht ausgetauscht werden kann. So konzentrieren sich fast alle Arbeiten über Panspermie auf Wechselwirkungen innerhalb eines Sonnensystems (siehe jedoch Lingam (2016) und Verweise darauf). In diesem Beitrag zeigen wir abschließend, dass Panspermie auf galaktischer Ebene lebensfähig ist. Abbildung 1 zeigt, dass Objekte mit geringeren Geschwindigkeiten im Allgemeinen weitaus wahrscheinlicher erfasst werden. Für ausreichend lange biologische Überlebenszeiten kann jedoch die Wahrscheinlichkeit, ein lebenswichtiges Objekt mit einer Geschwindigkeit von v>100km/s zu erfassen, signifikant sein. Insbesondere Wechselwirkungen im Galaktischen Zentrum (GC) zwischen dem supermassiven Schwarzen Loch und einem stellaren Binären können Sterne auf Tausende von km/s beschleunigen Ginsburg et al. (2012)
    zeigte, dass der gleiche Mechanismus Planeten bis zu 10^4 km/s beschleunigen kann. Unter der Annahme, dass Planetensysteme Asteroiden und Kometen haben, können dynamische Wechselwirkungen mit den Schwarzen Löchern diese mit extremen Geschwindigkeiten ausstoßen, so dass sie den gesamten Radius der Milchstraße in 10^6 Jahren durchlaufen können.

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