Ein internationales Forschungsteam unter Leitung des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) hat in bis zu 80.000 Jahre altem antarktischem Eis Spuren des seltenen radioaktiven Isotops Eisen-60 nachgewiesen. Der Fund belegt nach Angaben der beteiligten Wissenschaftler, dass unser Sonnensystem derzeit eine interstellare Gaswolke durchquert, in der Material aus einer längst vergangenen Sternexplosion gespeichert ist. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.
Eisen-60 bildet sich ausschließlich im Inneren massereicher Sterne und gelangt erst bei deren Explosion als Supernova in den Weltraum. Auf der Erde kommt es natürlicherweise praktisch nicht vor. Geologische Ablagerungen zeigen, dass das Sonnensystem vor Millionen von Jahren zweimal von einer Welle solcher Atome getroffen wurde. In jüngerer Zeit gab es allerdings keine nahe Sternexplosion mehr, die als Quelle infrage käme.
Umso überraschender war es, als vor einigen Jahren auch in weniger als zwanzig Jahre altem Oberflächenschnee der Antarktis Eisen-60 auftauchte. Woher das Material stammt, blieb zunächst offen. „Unsere Idee war, dass die Lokale Interstellare Wolke Eisen-60 enthält und über längere Zeiträume bis heute speichern kann“, erklärt Dominik Koll vom HZDR-Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung. Während das Sonnensystem die Wolke durchquere, könne die Erde dieses Material aufsammeln. Ein Beleg fehlte damals jedoch.
Unser Sonnensystem ist eine Ausnahme im Weltall
Sonnensystem befindet sich derzeit am Rand der Wolke
Die Lokale Interstellare Wolke ist eine Region aus stark verdünntem Gas und Staub zwischen den Sternen. Das Sonnensystem ist nach Angaben der Forscher vor mehreren zehntausend Jahren in sie eingetreten und befindet sich derzeit an deren Rand; in einigen tausend Jahren wird es sie wieder verlassen.
Für die nun veröffentlichte Untersuchung analysierte das Team um Koll und Anton Wallner einen Eisbohrkern, der die Zeitspanne von vor 40.000 bis 80.000 Jahren abdeckt – also rund um den vermuteten Eintritt in die Wolke. Das Alfred-Wegener-Institut Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) stellte die Probe aus dem Europäischen Eisbohrprojekt EPICA bereit. Der Vergleich mit früheren Sediment- und Schneeproben ergab: In jenem Zeitraum erreichte deutlich weniger Eisen-60 die Erde als heute. „Das deutet darauf hin, dass wir uns zuvor in einem Medium mit weniger Eisen-60 befanden oder dass die Wolke selbst starke Dichteunterschiede aufweist“, so Koll.
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Die Veränderung des Signals innerhalb weniger Zehntausend Jahre ist auf kosmischen Zeitskalen ausgesprochen schnell. Daraus schließen die Forscher, dass alternative Erklärungen ausscheiden – etwa ein verzögertes Abklingen Millionen Jahre alter Sternexplosionen. Als einzige plausible Quelle bleibe die Lokale Interstellare Wolke. „Das gibt uns zum ersten Mal die Möglichkeit, dem Ursprung dieser Wolken auf den Grund zu gehen“, sagt Koll.
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Von 300 Kilogramm Eis bleiben Hunderte Milligram Staub
Die Messungen waren technisch aufwendig. Hierzu mussten rund 300 Kilogramm Eis vom AWI in Bremerhaven nach Dresden transportiert und chemisch aufbereitet werden. Übrig blieben am Ende nur einige hundert Milligramm Staub. Um sicherzustellen, dass bei der Aufbereitung kein Eisen-60 verloren ging, prüften die Wissenschaftler im DREsden Accelerator Mass Spectrometry-Labor (DREAMS) des HZDR zwei weitere Radioisotope, deren Konzentration im Eis bekannt ist: Beryllium-10 und Aluminium-26.
Die eigentliche Messung erfolgte an der Heavy Ion Accelerator Facility (HIAF) der Australian National University, nach Angaben der Forscher derzeit die weltweit einzige Anlage, die winzigste Mengen Eisen-60 zuverlässig nachweisen kann. Mit elektrischen und magnetischen Filtern wurden unerwünschte Atome nach ihrer Masse aussortiert, bis von ursprünglich zehn Trillionen Atomen nur noch eine Handvoll Eisen-60-Atome übrig blieb. „Das ist, als würde man eine Nadel in 50.000 Fußballstadien suchen, die bis zur Decke mit Heu gefüllt sind. Die Maschine findet die Nadel in einer Stunde“, beschreibt Annabel Rolofs von der Universität Bonn das Verfahren.
„In langjähriger Zusammenarbeit mit internationalen Kollegen konnten wir eine extrem empfindliche Methode entwickeln, die uns nun erlaubt, diese eindeutige Signatur Jahrmillionen zurückliegender kosmischer Explosionen auch heute noch in geologischen Archiven nachzuweisen“, fasst Anton Wallner die Arbeit zusammen.
Das Team plant bereits weitere Messungen. Vorgesehen ist die Analyse eines noch älteren Eisbohrkerns aus der Zeit vor dem Eintritt des Sonnensystems in die Lokale Interstellare Wolke. Das AWI ist dafür zentraler Partner im Projekt „Beyond EPICA-Oldest Ice“, in dessen Rahmen besonders alte Eiskerne aus der Antarktis gewonnen werden.
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