Nicht ganz grauer Durchschnitt: Seltener kosmischer Matsch

Ein Begriff, der schon lange durch die planetologische Literatur geistert ist die sogenannte ‘Cosmic Abundance’. Gemeint sind die durchschnittlichen Elementkonzentrationen weniger im ganzen Kosmos (wäre etwas größenwahnsinnig), sondern erst mal im Sonnensystem (Solar Abundance). Hört sich immer noch etwas abgedreht an, ist es aber gar nicht mal. So ist die Motivation für diesen Eintrag ein kürzlich in Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (hier für lau auf ArXiv) erschienenes Paper von Umberto Maio und Edoardo Tescari, Origin of cosmic chemical abundances.

Aber erst mal wieso eigentlich? Zum einen, wie üblich bei den Grundlagenforschern: weil halt. Aber es gibt ganz handfeste Gründe – denn die Solare Zusammensetzung ist der chemische (und auch isotopische) Ausgangspunkt für alle späteren Entwicklungen. Wenn man die ganzen aus Meteoriten gewonnenen chemischen Daten vernünftig interpretieren will, ist es wichtig, den Ausgangszustand zu kennen. Selbst viele irdische, geochemische Messergebnisse werden auf die Solare Zusammensetzung normiert. Natürlich unter der Voraussetzung, dass es überhaupt so was wie eine einheitliche Ausgangszusammensetzung gab.

Wie aber findet man heraus, woraus unser Sonnensystem so im Schnitt besteht ? Nicht ganz einfach, es schwirrt einiges darin herum, oft mit offensichtlich unterschiedlicher Zusammensetzung. Noch fieser, wir wissen nicht mal die exakte durchschnittliche Zusammensetzung des bislang am besten erkundeten Planeten, der guten alten Erde zu unseren Füßen. Richtig verstanden, das ist alles nach wie vor etwas modellabhängig (geochemisch für über den Daumen gepeilt).

Was also tun ? Flinte ins Korn und heimgehen ? Aber nicht doch. Schauen wir uns mal die Masseverteilung an. Da fällt auf, dass die meiste Masse schon mal in der Sonne steckt, nämlich über 99%. In anderen Worten, man könnte mit guten Messungen der Zusammensetzung der Sonne für die meisten Anwendungen brauchbare Zahlen für das ganze Sonnensystem kriegen. Ein Problem mit den spektroskopisch aus der Sonne gewonnenen Daten (genauer: der Photosphäre, also der messbaren Oberflächenschichten) ist, dass man nur schwer absolute quantitative Daten in Gewichtsprozent bekommt. Man erhält eher nur relative Werte der Konzentrationen zueinander. Ein weiteres Problem ist, dass wir eben nur spektroskopische Daten von den äußeren Schichten der Sonne haben, wie es genau weiter drinnen aussieht weiss man auch nicht so genau. Was die Zusammensetzung der äußeren Schichten betrifft, so wäre alternativ der Sonnenwind eine Möglichkeit (aber auch der ist nicht identisch mit der Photosphäre…) Es gab sogar eine eigene Raumsonde für den Job, Genesis. Diese scheiterte glorreich 2004 bei der Landung, weil sich der Fallschirm nicht richtig öffnete. Die sensiblen Probenträger im Inneren der Kapsel hat es zersplittert, aber wie so oft haben sich die beteiligten Wissenschaftler davon nicht frustrieren lassen. Im Gegenteil, es wurde erst richtig was aus den Proben herausgeholt, Not macht halt erfinderisch.

Aber nicht so schnell. Die Geschichte beginnt natürlich etwas früher. So hatte der große Victor Goldschmidt hatte schon 1930 eine Veröffentlichung mit dem Titel “Geochemische Verteilungsgesetze und kosmische Häufigkeit der Elemente“. Und schon er kommt schon zu dem zentralen Ergebnis, dass sich die Elementverhältnisse bei Meteoriten gar nicht so sehr von denen der Sonne unterschieden. Über die folgenden Jahre verbesserte sich sowohl Anzahl wie auch Qualität von Meteoritenanalysen und solarer Spektroskopie. 1971 fragte sich Ed Anders in dem so betitelten Paper: “How well do we know cosmic abundances?”, um dann in den Folgejahren alles was es so an Meteoriten gab systematisch durchzuanalysieren.

Es stellte sich früh heraus, dass eine Meteoritengruppe der Sonne chemisch am nächsten kommt, die CI1 Chondrite. Dummerweise eine recht kleine Gruppe, es gibt nur 5 bekannte Proben, mit nicht mal 100 kg Material. Genauer, eigentlich ist nur von zweien, Orgueil und Alais, ordentlich Material vorhanden. Von den restlichen existiert praktisch nix. Das ist ein Problem, weil man für vernünftige Analysen schon eine gewisse Probenmenge benötigt. Nicht nur rein Analysetechnisch, sondern auch um repräsentative Daten zu enthalten. Denn auch die feinkörnigen CI1-Chondrite sind nicht völlig homogen, es gibt auf kleinem Maßstab Variationen (meine Dissertation war da drüber).

Eine naheliegende Frage ist dann – wie kommt es, das Meteorite, die chemisch dem Durchschnitt des Sonnensystems am nächsten kommen, so selten sind ? Liegt unter anderem daran, dass die CI1-Chondrite praktisch nur aus Tonmineralen mit ein wenig Wasser und Organik bestehen. Wenn solche Meteorite nicht gleich nach dem Fall eingesammelt werden, erodieren und verwittern sie sehr schnell weg, ein ordentlicher Regenschauer kann da schon reichen.

Das aber führt dann zu einem weiteren Einwurf: Wenn das also trockene Matschklumpen sind – sollte man von Material, dass dem ganzen ursprünglichen Sonnensystem entspricht, nicht eine gewisse ‘Primitivität’ erwarten. Aber Matsch – Tonminerale – sind Sekundärphasen, die sich auf dem Mutterkörper gebildet haben. Auch das ist kein Widerspruch – es gibt zunächst mal keinen Grund, dass es sich um irgendwie besondere Meteorite handeln muss – die chemische Ähnlichkeit könnte rein zufälliger Natur sein (würde dann auch die Seltenheit erklären).

Eine andere These über die CI1-Chondrite ist, dass sie von allen Meteoriten diejenigen sind, die am ehesten als kometares Material in Frage kommen. Die Hypothese geistert schon etwas länger durch die Landschaft. Die Idee basiert auf der Zusammensetzung – Kometen sollen ja auch eine primitive Chemie quasi ‘eingefroren’ haben. Aber auch Hinweise auf den Orbit des bekanntesten CI1-Chondriten, Orgueil, deuten in Richtung Kometen. Dieser fiel 1964 über Frankreich, und wurde sehr gut dokumentierten. Dem Pariser Matthieu Gounelle (Video auf französisch) gelang es, den ursprünglichen Orbit recht gut zurückzurechnenen, die Beobachtungen der Augenzeugen waren präzise genug. Und der scheint auf eine kometare Umlaufbahen zu deuten. Die Rosetta-Mission war eine prima Gelegenheit, diese These zu testen. Zwischenstand – wohl eher nicht.

Es gibt eine weitere Hypothese, die ich in irgendeiner fernen Zukunft, wenn ich mal mehr Zeit für Nebenprojekte habe, zu testen plane. Wenn man nur genug primitives Material im frühen Sonnensystem hernimmt, Wasser durchspülen lässt, das Ganze durch Impakte umwälzen lässt, und dann das Ganze über Millionen Jahre immer wieder (also was damals im frühen Sonnensystem abging) – sollte man da nicht zwangsläufig so was wie den Durchschnitt bekommen ? Mal sehen.

Aber zurück zum Thema. Die Korrelation der Chemie zwischen CI1 Chondriten und Sonne eröffnete die Möglichkeit, über die Analyse der Meteorite die Absolutkonzentrationen (sowie Isotopenratios) der Solaren Zusammensetzung zu analysieren. Im Prinzip könnte man eine ausreichend große Menge CI Chondrit einfach mal durchmessen, aber das ist dann bei der echt großen Anzahl an Elementen eher schwierig, analytisch ist da einiges nicht so einfach.

Deshalb bestanden die ersten Versuch darin, aus den zahlreichen, in der Literatur veröffentlichten Daten zu den CI Chondriten einen Solare Zusammensetzung zusammenzukratzen. Ende der 70er gab es mehrere Versuche einer einheitlichen Übersicht, aber erst Anders und Ebihara (1982) (hier ein Abstrakt) sowie Anders und Grevesse (1989) haben so etwas wie eine allgemeingültige Solare Zusammensetzung zusammengebastelt. Nur war das ein recht gemischter Haufen an Daten – halt von verschiedenen Labors, mit verschiedenen Techniken gemessen etc. Noch schlimmer, es gab lange Zeit Lücken, nicht alle Elemente waren abgedeckt. Es wäre analytisch schwierig, aus einer Probe die ganze Flöte an Elementen mit hoher Genauigkeit zu messen, und so beschränkten sich dann viele auf Elemente mit ähnlichen chemischen Eigenschaften. Während heute, gerade Dank Verbesserungen in der Massenspektroskopie, z.B. ICP-MS, eigentlich alle Elemente in den CI1-Chondriten durchgemessen sind, war dem Anfang der 80er nicht so. Da wurde dann auf die nächsten Verwandten, wie die C2 Chondrite zurückgegriffen. Das Paper von 1982 war dann so was wie der erste Versuch einer echten, lückenlosen Solaren Zusammensetzung.

Im Zeitalter vor Internet und Excel war das ein deutlich größerer Aufwand, als es das heute wäre. Ich habe zwar für meine Dissertation auch unzählige Analysen für die CI1 Chondrite zusammengetragen, und das war schon stressig, da die Übersicht zu behalten. Das alles per Hand muss nochmal eine Größenordnung stressiger gewesen sein. Alleine ohne Online-Datenbanken die ganze Literatur zusammen zu suchen muss schon ein Akt gewesen sein. Man musste sich noch in Bibliotheken (die Älteren unter uns erinnern sich…) begeben, und noch richtige, gedruckte Journals (oft in schon angestaubten gebundenen Ausgaben) in Regalen in einem Kompaktor irgendwo hinten im Keller aus einem Regal ziehen. Da alleine Bestand die Gefahr, von unachtsamen Kollegen zwischen zwei Regalen zerquetscht zu werden. Und dann musste man die Bände wieder zum Kopierer schleppen, um vom Artikel eine Fotokopie erstellen (PDF ? Gabs noch nicht). Um dann festzustellen, dass der Artikel gar nicht den Erwartungen entsprach, die man Aufgrund der Zitierung in einem anderen Paper hatte.  Tjah. Ich habe irgendwo im Büro noch einen Rest-Stapel an alten, vergilbten und zerfledderten Kopien, die mir einmal rund um die Welt bis nach Münster zurück gefolgt sind.

Hier aber eine ziemlich aktuelle Übersicht über sie Solare Zusammensetzung, zusammengestellt von der unermüdlichen Katarina Lodders in St.Louis, lobenswerterweise auf ArXiv verfügbar. Da steht eigentlich alles wesentlich drinnen (außerdem wird ein Paper von mir zitiert, vielen Dank). Aus was also besteht dann unser Sonnensystem so ? Edelgase sind in der Photosphäre natürlich häufiger denn in den CI1 Chondriten, wie auch C und N. Das ist der größte Unterschied. Eine Hand voll Sonnensystem würde, davon abgesehen, aus Sauerstoff, Magnesium, Silizium und Eisen bestehen. Schwefel, Nickel, Kalzium und dann noch Natrium, Aluminium, Phosphor, Mangan, Kalium, Chrom und Titan, vielleicht noch Kobalt, Kupfer, Chlor und Fluor folgen dann schon etwas abgeschlagen auf den Plätzen. Der Rest ist noch viel seltener. Die Chemie kommt Geologen natürlich spontan bekannt vor – aus dem Material bestehen logischerweise auch die typischen gesteinsbildenden Minerale der Erde

Was die Häufigkeitsverteilung betrifft, eigentlich fangen die Elementhäufigkeiten bei Ordnungszahlen höher als dem Eisen an, in die Knie zu gehen. Das liegt an der Entstehung der Elemente. Bis zum Eisen werden die Elemente durch Kernfusion in der stellaren Nukleosynthese zusammengeschweißt. Dabei wird praktischerweise Energie frei (sonst würden Sterne ja nicht funktionieren). Das geht bis zum Eisen so, aber für die Bildung von schwereren Elementen wird Energie benötigt. Diese Elemente werden dann im Neutronen- und Protonenhagel von Supernovaexplosionen oder in Roten Riesen gebildet. Das sind die s,r, und p-Prozesse. Entsprechend seltener sind dann die dabei entstandenen Elemente.

Gut, dann haben wir also die Solare Zusammensetzung. Die ist schon an sich nützlich (siehe oben). Aber man kann noch mehr damit anstellen. Man kann unser Sonnensystem in eine längere, chemische Entwicklung der einordnen. Und das bringt uns zurück zum Paper von Umberto Maio und Edoardo Tescari. Diese haben Modelliert, wie sich die Chemie nicht des Sonnensystems, sondern wirklich gleich des Kosmos über viele Milliarden Jahre entwickelt hat – in Abhängigkeit von der Sternenentwicklung, in der die Elemente recycelt und zusammengeköchelt werden. Die Gesamtzusammensetzung unseres Sonnensystems hängt da irgendwo zwischen drinnen, die chemische Evolution des Universums ist immer noch Work in Progress. Das ist natürlich alles sehr kompliziert, zeigt aber schön, wie Planetologie und Astrophysik zusammenhängen.

 

 

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.

1 Kommentar Schreibe einen Kommentar

  1. Übrigens:
    Frank Kimbler, Lehrer am “New Mexico Military Insitute” in Roswell in New Mexico (so etwas muss wohl trotz “Militär” nicht staatlich sein) hat mit IR-Satelliten-Daten die angebliche Absturzstelle von Roswell untersucht, und fand eine Linie, statt der zur offiziellen Projekt-Mogul-Version eines Wetterballon mit Dummy passenden punktförmigen Absturzstelle.
    Dieser Punkt ist hier erst mal “Off-Topic”.
    Passend ist aber die Tatsache, dass er zusammen mit Studenten oder Freiwilligen extrem akribisch die Gegend absuchte, und am Boden und Tierbauten unter der Erde etc. winzige Folienartige Stücke (kleiner als die Maschengröße der damals angeblich verwendeten Siebe) fand. Aber auch Knöpfe von Militärkleidung, die bestätigten dass Soldaten dort waren.

    Laut Labor des “New Mexico Institute of Mining and Technology” (New Mexico Tech) in Socorro ist das Material eine Legierung aus Aluminium, Mangan und Kupfer, wie sie als solche zwar nicht unüblich ist und sogar am Bau verwendet, aber nicht in Folienform.

    Eine Isotopenanalyse (um die geht es hier wohl) ergab aber, dass die Zusammensetzung nicht der, der Erde entspricht.

    Nun kann man sich Fragen, ob es erstens überhaupt Folien aus dieser Legierung gibt oder gab, und ob diese Legierung auf der Erde überhaupt in dieser Isotopenzusammensetzung existiert.
    Also rein zufällig irgendwo Material aus einem extrasolaren Asteroid etc. zu so einer Legierung führte.

    Interessant ist aber auch noch, dass die erste Probe die er per Paket an das Labor zur Isotopenanalyse schickte zwar ankam, aber die Dose im Paket leer ankam.
    Daher fuhr er eine weitere Probe selbst zum Labor.

    Frage:
    In wie weit kann mit solch einer Analyse nachgewiesen werden, dass das Material extraterrestrisch ist, bzw. intelligent angefertigt extraterrestrisch.
    Denn, natürlich entsteht ja keine solche reine Legierung, und schon gar nicht als Folie.

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