Rote Riesen! Gewaltige Kollisionen! Und flauschige Staubbällchen. Die beliebtesten Paper in der Planetologie im Mai

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Meteorite, Planeten, Sternenstaub (und was sonst so runterfällt)
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Und wieder mal Zeit für den Rückblick auf die beliebtesten Veröffentlichungen auf dem Gebiet der Planetologie im letzten Monat, basierend auf den beliebtesten Papern auf dem Blog Cosmochemistry Papers.

In Correlated Strontium and Barium Isotopic Compositions of Acid-cleaned Single Mainstream Silicon Carbides from Murchison, veröffentlicht von Nan Liu (Chicago) et al. im Astrophysical Journal (und hier lobenswerterweise für lau auf ArXiv) geht es um präsolare Körner. Das sind nur wenige Mikron (µm, also tausendstel Millimeter) große Brösel, die man in den Chondriten, den primitiven Meteoriten findet.

Präsolare Körner sind, wie der Name schon andeutet, älter als unsere Sonne. Man erkennt sie an ihren weit streuenden Isotopenverhältnissen, die für ein insgesamt gut durchgemischtes Sonnensystem wie dem unserem kaum möglich wären.

Die Isotopenverhältnisse – typischerweise von Si, C, O oder N – lassen sich aber mit der Herkunft der Körner in Sternen in der Endphase erklären. Also mit Supernovae und Roten Riesen, die am Ende ihrer Lebenszeit ihre äußeren Hüllen abwerfen. Aus diesen Gaswolken kondensieren dann diese präsolaren Körner, und werden wieder Teil des Interstellaren Mediums (ISM), dem Staub zwischen den Sternen. Dann beginnt der Kreislauf wieder von vorne.

Bei den präsolaren Körnern in dieser Studie handelt es sich um SiC, Siliziumkarbid. Das ist jetzt nicht gerade ein so gängiges Mineral in unserem Sonnensystem. In Sternen mit höherem Kohlenstoffanteil aber bildet sich SiC sehr leicht.

Bei den untersuchten präsolaren Körnern handelt sich neben SiC um Si3N4, Al2O3, MgAl2O4 sowie C (als Graphit und Diamant). Lange Zeit war die einzige Möglichkeit, an die präsolaren Körner heranzukommen, die Ausgangsproben -Meteorite – mit Säuren aufzulösen. Statt der Suche nach der Nadel im Heuhaufen wurde die Scheune kurzerhand abgefackelt, um die Nadel zu finden. Und diese sollte dann schon Feuerfest sein.

Dabei blieben also nur die robustesten Minerale übrig, und das sind eben die oben genannten. Diese machen nur einen kleinen Teil der Gesamtmenge eines Meteoriten aus, was die Untersuchung noch zusätzlich erschwerte. Silikate sind die dominierende Mineralphase in den extraterrestrischen Materialien, aber die präsolaren Silikate wurden wie die ‘normalen’ in der Prozedur aufgelöst. Einzige Möglichkeit war, sie direkt, ‘in -situ’ in einer größeren Probe zu analysieren (und wir reden von wirklich winzigen Partikeln).

Die analytische Technik war bis vor knapp 15 Jahren nicht in der Lage, Isotope in den Silikaten in der benötigten räumlichen Auflösung in-situ (direkt in den Proben) zu untersuchen, um präsolare Silikate von den umgebenden ‘normalen’ klar zu unterscheiden. Faszinierend: Als ich vor vielen Äonen als kleiner Doktorand in der Planetologie anfing, war das alles noch Zukunftsmusik, heute ist es eigentlich Routine.

In dem Paper geht es um SiC, bei dem neben den Isotopen von Si und C auch Barium und Strontium untersucht wurde. Ich gebe ganz offen zu, ich bin kein Astrophysiker und verstehe nicht allzu viel von Nukleosynthese. Deshalb hoffe ich mal, das ich das richtig verstanden habe: Ziel der Untersuchungen ist der S-Prozess in kohlenstoffreichen AGB (Asymptotic Giant Branch) Sternen, also Roten Riesen. Dieser Prozess ist von Interesse, da in ihm Elemente schwerer als Eisen durch den Einfang langsamer Neutronen im Stern gebildet werden. Die Isotopenverhältnisse in den präsolaren Körnern werden dazu verwendet, die Modelle über die Nukleosynthese, also die Elementbildung zu bestätigen – oder halt nicht. Spektroskopische Untersuchungen von Roten Riesen sind auch möglich, aber es geht halt nichts über die genaueren Laboruntersuchungen. Die mit Säure herausgelösten SiC sind zudem auch ziemlich ‘sauber’, also hängt kein sonderlicher Wutz in Form von anderen Mineralen daran, welche die Messungen beeinflussen könnten.

Wichtigstes Ergebnis der Studie ist (so wie ich das verstehe…), dass in den Roten Riesen starke lokale Schwankungen in der Kohlenstoffisotopie bestehen, was Rückschlüsse auf die innere Struktur der Sterne erlauben könnte (oder so). Mit anderen Worten, die Untersuchung der SiC erlaubt Einblicke in die Vorgänge in Sonne von einem anderen Typ als der in unserem Sonnensystem. Ziemlich beeindruckend, finde ich (auch wenn es mit Planetologie im engeren Sinne nicht mehr viel zu tun hat).

Untersucht wurden die Brösel mit einer Ionensonde (SIMS), und zwar der CHARISMA am Argonne National Laboratory. Dort werden hochpräzise Einzelmodelle zusammengelötet und -geschraubt, die den Seriengeräten deutlich voraus sind. Zurzeit geht dort CHILI in Betrieb (auch unter wesentlicher Mitwirkung früherer Münsteraner Planetologen), ein Gerät das wohl an die Grenzen dieser Technologie vordringt.

 

Als nächstes haben wir Alan Rubin (Los Angeles), ein Veteran in unserem Forschungsgebiet mit Maskelynite in asteroidal, lunar and planetary basaltic meteorites: An indicator of shock pressure during impact ejection from their parent bodies. Veröffentlicht in Icarus, hier für lau ein Tagungsabstrakt zum Thema. Hier geht es um Maskelynit. Das ist ein Glas, das bei hohem Druck(über 29 Gigapascal) während eines Asteroiden- oder Kometeneinschlags aus Feldspat entsteht.

Maskelynit gehört zu den Mineralphasen, die zum bestimmen des Drucks bei einem Einschlag verwendet werden, da Feldspat ein weit verbreitetes Mineral ist, gerade auch auf unserer Erde (bekannt aus: Feldspat, Quarz und Glimmer, die drei vergess ich nimmer). Der alte Bergmannspruch bezog sich zwar auf Granit, während Rubin sich auf Basalte konzentriert hat, die unter den Meteoriten typischer sind (Granite sind außerhalb der Erde äußerst extrem selten).

Interessanterweise findet sich in Mondproben, die vor Ort eingesammelt wurden, deutlich weniger Maskelynit als in den Mondmeteoriten. Ein Hinweis, dass sich zumindest der Großteil des Maskelynits in den Meteoriten bei dem Einschlag bildete, der auch das Material in den Weltraum und dann auf die Erde beförderte. Darauf aufbauend, untersuchte Rubin eine ganze Reihe an Meteoriten verschiedener Typen. Ergebnis: es scheint ein Zusammenhang zwischen dem Anteil an  Maskelynit in den Meteoriten und der Fluchtgeschwindigkeit des Mutterkörpers (Mond, Mars und Vesta) zu bestehen. Ist auch logisch, je massiver ein Körper, desto mehr Energie ist nötig, um Material von der Oberfläche wegzukriegen. Und das bedeutet dann auch höhere Drücke beim Einschlag.

Also mal wieder ein Puzzle-Stück, welches das Gesamtbild vervollständigt. Noch besser: man kann das Ergebnis dazu verwenden, die Größe der Mutterkörper von Meteoriten abzuschätzen… Eine testbare Vorhersage Rubins: Falls ein terrestrischer Meteorit (also ein Meteorit von der Erde) auf einem anderen Körper je gefunden wird (Mond wäre ein idealer Kandidat), so sollte dieser natürlich sehr hoch geschockt mit ganz viel Maskelynit drinnen sein.

 

Dann zwei alte Kollegen aus meinen japanischen Jahren, Kazushige Tomeoka und Ichiro Ohnishi (Kobe, Tokio) mit Redistribution of chondrules in a carbonaceous chondrite parent body: A model. Veröffentlicht in Geochimica et Cosmochimica Acta, hier wieder ein verwandter Tagungsabstrakt.

Die Chondrite, also die primitiven Meteorite, die seit dem frühen Sonnensystem recht unverändert überlebt haben, bestehen (grob vereinfacht!) aus drei Grundbausteinen – den Namensgebenden Chondren, runde Silikatkügelchen mit bis zu etwa einem Zentimeter Größe, den CAIs, Kalzium-Aluminium reiche Einschlüsse etwas variabler Form und Zusammensetzung in etwa derselben Größenordnung. Und der feinkörnigen Matrix, in die die beiden Komponenten eingebettet sind. Diese Bauteile haben sich im ganz frühen Sonnensystem, frei im Weltraum schwebend, relativ sanft zu den ersten Planetesimalen, heranwachsenden Planeten zusammengefügt.

Was oft beobachtet wird, sind ‘Fine-Grained Rims’ (Mäntel ?) um Chondren und CAI. Diese bestehen auch aus feinkörnigen Material, dass sich aber deutlich von der Matrix unterscheidet. Eine gängige Hypothese für die Entstehung der Staubmäntel ist, dass es sich hier eben um die erste Stufe der Akkretion, also der Planetenbildung handelt – dass man also in einer Art petrographischen Schnappschuss sieht, wie sich Staubteilchen um die größeren Bauteile abgelagert haben, um regelrechte Staubbällchen zu bilden.

Für schöne Bilder siehe man diese früheren Veröffentlichungen.

Andere sind der Meinung, dass es sich bei den Rims um spätere Vorgänge auf dem Planetesimal (eigentlich ein Asteroid) handelte, wie Umwandlung durch Flüssigkeiten, die nichts mit der Akkretion zu tun hatten.

Tomeoka und Ohnishi nehmen mit ihrer Studie eigentlich in der Mitte Stellung. Die Staubmäntel sind demnach die Überreste der Matrix aus einem früheren Mutterkörper, der in einer für diese Frühphase typischen Kollision zerlegt wurde. Ein Teil dieser Matrix blieb an den Chondren hängen, und wurde samt diesen später in einen neues Planetesimal akkretiert, welches eine etwas andere Matrix aufwies, was die Unterschiede dann erklärt.

Erwähnenswert sind auch die Diagramme: diese sind, sehr japanisch übersichtlich und anschaulich, sowie schön gezeichnet.

 

Beliebt auch ein etwas älterer Eintrag von William Hartmann (Tucson), The giant impact hypothesis: past, present (and future?) aus den Philosophical Transactions of the Royal Society.

Das ist eher ein Review-Paper, also eine Übersicht über ein Thema. Er fasst einen Teil seines Lebenswerks zusammen, in dem es um die Mondenstehung durch eine Kollision der Ur-Erde mit einem anderen Planeten ging, in der sich der Mond aus den Trümmern bildete.

Hartmann (wird tatsächlich mit zwei n geschrieben) ist ein echtes Urgestein in der Planetologie, mit einem Lebenslauf wo man schon neidisch wird. Eine sehr, sehr lange Publikationsliste. Erstes wissenschaftliches Paper 1962, mit einem gewissen Herrn Kuiper als Ko-Autor. Damals war Planetologie noch ein echtes Randgebiet, das erst im Windschatten der Raumforschung die in die Gänge kam. Zur richtigen Zeit am richtigen Ort für das Apollo-Programm. Und ein ziemlich guter Maler ist er auch noch.

 

Und dann noch zwei in Chicago bzw. Miami tätige französische Kollegen, Nicholas Dauphas und  Ali Pourmand mit Thulium anomalies and rare earth element patterns in meteorites and Earth: Nebular fractionation and the nugget effect. Abgedruckt in Geochimica et Cosmochimica Acta, aber hier für lau auf ArXiv.

Hier wird eine ganze Ladung an Chondriten, also primitiven Meteoriten, untersucht. Und zwar die Seltenen Erden (SEE), eine Serie an Elementen (La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu) mit nur leicht verschiedenen chemischen Eigenschaften. Die jeweiligen Konzentrationschwankungen (Verteilungsmuster) der SEE im Vergleich zur Ur-Zusammensetzung des Gesamtsonnensystems (basierend auf den CI-Chondriten) erlauben Rückschlüsse auf verschiedene Vorgänge – Schmelzprozesse, Kristallisation, Verwitterung, Verdampfung/Kondensation und so weiter. Deshalb haben auch Meteoriten untereinander verschiedene Verteilungsmuster der SEE, und darum geht es in dieser Studie. Natürlich werden hier Meteorite nicht zum ersten Male auf diese Elemente untersucht, aber eine Studie wo gleich 41 Meteorite mit einer einheitlichen Technik auf neuestem Stand und mit höchster Präzision gemessen werden, ist immer von nutzen. Hier wurde mit Multi-Collector ICPMS analysiert, so was wie das Arbeitspferd der modernen Kosmochemie.

Das Ergebnis reflektiert ein altes Problem der Meteoritenforschung –  nämlich das der kleinen verfügbaren Probenmengen. Meteorite sind an sich nicht  unbedingt häufig, und für eine destruktive Studie (wo also das Probenmaterial in der Analyse zerstört wird) ist es oft schwierig, ausreichend Material von Sammlungskuratoren loszueisen. Gerade für destruktive Untersuchungen rücken die ohnehin eher ungerne (verständlicherweise) was raus.

Und das, was man bekommt, muss nicht unbedingt repräsentativ für den Meteoritentypen sein. Gerade die primitiven Chondrite bestehen aus einem Chaos an Bauteilen, den Chondren, den CAIs und der Matrix (die in sich selber eine Mischung  darstellt). Und diese Bauteile variieren in ihrer chemischen Zusammensetzung ordentlich (und damit halt auch in den Seltenen Erden). Selbst bei ein paar Gramm Probenmaterial hat man nicht die Garantie, die Durchschnittszusammensetzung der Meteoritengattung zu messen. Etwas zu viel CAI und zu wenig Matrix, oder halt ein hochangereichertes Mineral zu viel, und schon verzieht sich das Ergebnis. Das ist der ‘Nugget-Effekt’, der solche Messungen erschwert.  Das war im Prinzip auch Ergebnis meiner Dissertation, und die findet sich hier. Nur um mich mal in den Vordergrund zu drängeln. In der Studie wird versucht, ein Modell zu entwickeln, mit dem sich solche Effekte mildern lassen.

Ein weiteres Ergebnis der Studie: basierend auf den SEE-Gehalten sollten die kohligen Chondrite beim Ausgangsmaterial für unsere Erde eher eine untergeordnete Rolle gespielt haben. Ist doch schon mal was.

 

Fazit – nur ein Paper mit et al., also einer langen Schleppe an Ko-Autoren. Dafür zwei Paper mit nur einem Autor, und zwei mit nur zwei Autoren. Selten. Nach dem Nature-lastigen April mal wieder alle möglichen Journals bunt gemischt, Astrophysical Journal ist das Astrophysik-Journal mit dem höchsten Impact-Faktor, Philosophical Transactions of the Royal Society ist auch nicht gerade zu verachten. Geochimica und Icarus sind die soliden Journals wo man guten Gewissens veröffentlichen kann. Thematisch bunt gemischt: Zwar dreimal Kollisionen, aber jeweils unter ganz verschiedenen Blickwinkeln. Dann noch präsolare Angelegenheiten, und ein eher ‘klassisches’ Kosmochemie-Paper. So könnte es öfters sein.

Andreas Morlok

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.

4 Kommentare

  1. Meteoriten sind also auch Archive von wichtigen planetaren Ereginissen wie dem Aufpralll von grossen Körpern. Denn dabei entstehen Sekundärmeteoriten, die schliesslich auch auf der Erde landen können. Es wurden ja schon Mars- und Mondmeteoriten gefunden. Auf dem Mond wird es sicher auch Erdmeteoriten geben. Der Chicxulub-Krater, der vor 65 Millionen Jahren durch Aufschlag eines riesigen Asteroiden im Golf von Mexiko entstand, hat wohl Sekundärmeteoriten sowohl auf die Erde als auch auf den Mond herunterregnen lassen. Die Sekundärmeteoriten, die auf dem Mond einschlugen, könnten noch gut erhalten sein, denn es gibt nur wenig Verwitterungsprozesse auf dem Mond. Leider ist der Mond bis heute noch nicht systematisch untersucht worden. Heute wären die Voraussetzungen da, um autonom operierende Mondrover den ganzen Mond abfahren zu lassen und dabei auch nach Meteoriten zu suchen. Irgendwann wird das sicher gemacht.

    • Die Wahrscheinlichkeit scheint in der Tat recht groß zu sein. Und da der Regolith (von Impakten und Space Weathering abgesehen) von Atmosphäre und vor allem Wasser nicht alteriert wird wie Meteorite auf der Erde, scheint er generell ein potentielles Reservoir für alle möglichen Arten an Material zu sein. Wie z.B. hier (leider nur der Abstrakt).

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