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Sternenstaub im antarktischen Schnee liefert Hinweise auf die Umgebung des Sonnensystems

21.08.2019

Bei gewaltigen Sternenexplosionen entsteht das seltene Isotop Eisen-60. Nur eine sehr geringe Menge davon gelangt von fernen Sternen auf die Erde. Jetzt hat ein Forschungsteam unter der Leitung von Physikern der Technischen Universität München (TUM) erstmals Eisen-60 im antarktischen Schnee gefunden. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vermuten, dass das Eisen-Isotop aus der interstellaren Nachbarschaft stammt.

Mehrere Tausend bis Zehntausend Tonnen kosmischer Staub rieseln jährlich auf die Erde. Die meisten der winzigen Teilchen stammen von Asteroiden oder Kometen unseres Sonnensystems. Ein kleiner Teil kommt allerdings von fernen Sternen.


In der Nähe der Kohnen-Station der Antarktis wurden Schneeproben entnommen, die an der TUM untersucht wurden. (Bild: S. Kipfstuhl / AWI - frei fuer Berichterstattung ueber TU Muenchen)

Für das darin befindliche Eisen-Isotop Eisen-60 gibt es keine natürlichen irdischen Quellen, es entsteht ausschließlich bei Supernova-Explosionen oder Reaktionen der kosmischen Strahlung mit dem kosmischen Staub.

Antarktischer Schnee reist um die Welt

Den ersten Nachweis für Eisen-60 auf der Erde erbrachte ein Forschungsteam der TUM, darunter der Physiker Dr. Gunther Korschinek, vor 20 Jahren in Tiefseeablagerungen. Korschinek vermutete auch im reinen, unberührten antarktischen Schnee Spuren von Sternenexplosionen.

Damit sich diese Annahme überprüfen lässt, sammelte Dr. Sepp Kipfstuhl vom Alfred-Wegener-Institut an der Kohnen-Station, einer Containersiedlung in der Antarktis, 500 Kilogramm Schnee und ließ diesen zur Untersuchung nach München transportieren. Dort schmolz ein Team der TUM den Schnee und trennte das Schneewasser von den festen Bestandteilen.

Diese wurden am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) mit verschiedenen chemischen Methoden bearbeitet, sodass das für die spätere Analyse benötigte Eisen im Milligrammbereich vorlag und die Proben zurück nach München gebracht werden konnten.

Im Beschleunigerlabor in Garching bei München fanden Korschinek und Dominik Koll aus dem Fachbereich Kern-, Teilchen- und Astrophysik der TUM fünf Eisen-60-Atome in den Proben. „Nach unseren Untersuchungen konnten wir ausschließen, dass das Eisen-60 von kosmischer Strahlung, Atomwaffentests oder Reaktorunfällen herrührt“, sagt Koll.

„Da es keine natürlichen Quellen für dieses radioaktive Isotop auf der Erde gibt, war uns klar, dass das Eisen-60 aus einer Supernova stammen muss.“

Sternenstaub stammt aus der interstellaren Nachbarschaft

Das Forschungsteam konnte relativ genau festlegen, wann das Eisen-60 auf die Erde gerieselt ist: Die untersuchte Schneeschicht war nicht älter als 20 Jahre. Auch schien das gefundene Eisen-Isotop nicht von besonders weit entfernten Sternenexplosionen zu kommen, da sich der Eisen-60-Staub in dem Fall zu stark im Universum verdünnt hätte.

Aufgrund der Halbwertszeit von Eisen-60 müssten Atome, die von der Entstehung der Erde herrühren, bis heute vollständig zerfallen sein. Koll geht daher davon aus, dass das Eisen-60 im antarktischen Schnee aus der interstellaren Nachbarschaft stammt – etwa aus einer Ansammlung von Gaswolken, in denen sich unser Sonnensystem derzeit befindet.

„Unser Sonnensystem ist vor etwa 40.000 Jahren in eine dieser Wolken eingetreten“, sagt Korschinek, „und wird sie in einigen Tausend Jahren wieder verlassen. Sollte die Gaswolken-Hypothese stimmen, würde Material aus Eisbohrkernen, das älter als 40.000 Jahre ist, kein interstellares Eisen-60 enthalten“, ergänzt Koll.

„Damit könnten wir den Übergang des Sonnensystems in die Gaswolke nachweisen – das wäre eine wegweisende Erkenntnis für Forscherinnen und Forscher, die sich mit der Umgebung des Sonnensystems beschäftigen.“

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Gunther Korschinek
Technische Universität München
Arbeitsgruppe Experimentelle Astroteilchenphysik
Tel.: +49 89 (0) 89 289-14257
korschin@tum.de

Dr. Thomas Faestermann
Technische Universität München
Arbeitsgruppe Nukleare Astrophysik
Tel.: +49 89 (0) 89 289-12438
thomas.faestermann@mytum.de

Originalpublikation:

D. Koll, G. Korschinek, T. Faestermann, J. M. Gómez-Guzmán, S. Kipfstuhl, S. Merchel, J. M. Welch: Interstellar 60Fe in Antarctica. In: Phys. Rev. Lett. 123, 072701 – Published 12 August 2019. DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.072701
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.072701

Weitere Informationen:

https://mediatum.ub.tum.de/1518357

Dr. Ulrich Marsch | Technische Universität München

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