Dr. Alice Stephant, eine Astrophysikerin, hilft dabei, ein seit langem bestehendes Rätsel um Wasser auf der Erde zu lösen: woher es kommt.
Wissenschaftler gingen lange davon aus, dass Wasser, das 70 % der Erde bedeckt, auf anderen Planeten wahrscheinlich selten oder nicht vorhanden ist. Man ging davon aus, dass Wasser auf der Erde das Ergebnis einer einzigartigen Reihe galaktischer Ereignisse vor Milliarden von Jahren war.
Stephant, der am Nationalen Institut für Astrophysik in der italienischen Hauptstadt Rom arbeitet, stellt diese seit langem bestehenden Annahmen in Frage.
Sie hat Forschungsergebnisse erstellt, die darauf hindeuten, dass die chemischen Bestandteile von Wasser – Wasserstoff und Sauerstoff – aus der riesigen Staub- und Gaswolke stammen könnten, aus der das Sonnensystem der Erde entstand.
Wenn Wasser aus dieser Wolke direkt in die Bildung von Planeten gelangen könnte, könnte es im gesamten Universum existieren. „Vielleicht kann diese Art, Wasser zu einem Planetenkörper zu transportieren, in jedem anderen Sonnensystem vorkommen“, sagte Stephant, ein gebürtiger Franzose, der auch in Großbritannien und den USA gearbeitet hat
Sie leitete ein Forschungsprojekt namens POSEIDON das EU-Mittel erhielt, um zu versuchen, die Herkunft des Wassers auf der Erde zu bestimmen. Das Team untersuchte die chemischen Bestandteile von Wasserstoff und Sauerstoff in einer bestimmten Art von Meteoriten: primitiven Achondriten.
Das Projekt wurde im Januar 2023 nach 29 Monaten abgeschlossen.
Sonnengeburten
Das Sonnensystem der Erde entstand vor etwa 4,5 Milliarden Jahren aus einer wirbelnden Wolke aus Staub und Gas, die als Sonnennebel bekannt ist. Im Laufe der Zeit zog die Schwerkraft dieses Material zusammen und in Richtung der Mitte des Nebels.
Nachdem sich fast alles – mehr als 99 % – im Zentrum angesammelt hatte, lösten der durch die Kompression erzeugte Druck und die Hitze die Kernfusion aus und die Sonne war geboren.
Das verbleibende Material umkreiste die Sonne und begann sich schließlich zu größeren Objekten zu verbinden. Einige wuchsen zu den Planeten und Monden heran, die wir heute sehen. Andere taten dies nicht und wurden stattdessen zu Meteoroiden, Kometen und Asteroiden.
Diese Gesteinsschuttstücke sind für Wissenschaftler wichtig, da es sich um Relikte aus der Frühgeschichte des Sonnensystems handelt. Primitive Achondrite sind von besonderem Interesse, da sie von Asteroiden stammen, die zu den allerersten Planetenbausteinen im Sonnensystem gehörten.
Neue Meteoritengruppe
Stephant identifizierte eine neue Gruppe primitiver Achondrite, die wichtige Hinweise auf die Wasserquelle auf der Erde – und auf anderen Planeten im Sonnensystem – liefern.
Bisher waren nur zwei Gruppen primitiver Achondrite bekannt. Stephant hat einen dritten identifiziert, der sich durch eine sogenannte isotypische Sauerstoffzusammensetzung auszeichnet. Dies bedeutet, dass diese Meteoriten aus unterschiedlichem Material im frühen Sonnensystem stammen.
Sie enthalten auch ein anderes Wasserstoffisotop. Das bedeutet, dass der Wasserstoff eine unterschiedliche Anzahl von Neuronen in seinem Kern hat. „Es gab wahrscheinlich mehrere Wasserquellen, nicht nur eine“, sagte Stephant.
Eine der möglichen Quellen ist ursprünglicher Wasserstoff, der wahrscheinlich aus Nebelgasen in der frühen Entstehung des Sonnensystems stammte.
Die Bestandteile von Wasser könnten in den frühesten Bausteinen der Planeten vorhanden gewesen sein. Wenn ja, ist es wahrscheinlicher, dass die Bestandteile des Wassers in die chemische Zusammensetzung vieler Planeten eingebaut wurden. Und das erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass Wasser auf den Oberflächen anderer Planeten im Universum existiert, erheblich.
„Früher sagte man, das Wasser auf der Erde sei das Ergebnis einer Kombination vieler Ereignisse, die es einzigartig machen“, sagte Stephant. „Aber vielleicht ist es das tatsächlich nicht.“
Zeittest
Während Stephant nach weiteren Beweisen für den Ursprung des Wassers sucht, erforscht Dr. Sandrine Péron die Elemente, die mit dem Wasser auf die Erde gelangten, um mehr über das frühe Sonnensystem zu erfahren. Péron ist Geochemiker an der ETH Zürich, einer Universität in der Schweiz, und gebürtiger Franzose.
Péron leitet ein EU-finanziertes Forschungsprojekt namens VolatileOrigindas 29 Monate bis April 2024 läuft. Im Mittelpunkt stehen zwei Edelgase in der Erdkruste: Krypton und Xenon.
Krypton- und Xenon-Isotope helfen Wissenschaftlern, den Ursprung der flüchtigen Elemente der Erde wie Kohlenstoff, Stickstoff und Wasser zu verstehen. Das liegt daran, dass diese Isotope zusammen mit flüchtigen Elementen, einschließlich Wasser, auf die Erde gebracht wurden. Da die Isotope viel weniger reaktiv sind, behalten sie die alten chemischen Fingerabdrücke, die auf ihren Ursprung im frühen Sonnensystem hinweisen.
Die chemischen Signaturen von Krypton und Xenon in einer Klasse primitiver Meteoriten, die als kohlenstoffhaltige Chondrite bekannt sind, stimmen mit denen im Erdmantel überein. Das zeigt, dass diese Meteoriten in den Erdmantel eingebaut wurden.
Krypton-Anomalie
Vor einigen Jahren beprobten Péron und ihre Kollegen Krypton im Erdmantel an geologischen Hotspots in Island und auf den Galapagosinseln, die Magma aus der Tiefe der Erde ausstoßen.
Die Forscher entdeckten einen relativen Mangel an Krypton mit der Isotopenzahl 86. „Wir fanden heraus, dass wir im tiefen Erdmantel ein Defizit an Krypton 86 im Vergleich zur durchschnittlichen Zusammensetzung kohlenstoffhaltiger Chondrite haben“, sagte Péron.
Wenn das Krypton-86-Defizit das Ergebnis einer Anomalie bei der Bildung von Atomkernen im ursprünglichen Sonnensystem ist, würde dies darauf hindeuten, dass Wasser – und andere flüchtige Elemente – auf die Erde gebracht wurden, bevor sich das Nebelmaterial gut vermischt hatte.
Museumsstücke
Die Krypton-Anomalie weist darauf hin, dass neben kohlenstoffhaltigen Chondriten auch andere Meteoriten zum Erdmantel beigetragen haben.
In VolatileOrigin untersucht Péron Meteoriten, die auf der Erde gelandet sind und jetzt in Museen liegen, um festzustellen, ob sie dieselbe Kryptonanomalie wie der tiefe Erdmantel aufweisen.
Das Projekt sucht auch nach Krypton-Defiziten im oberen Erdmantel. Solche Anomalien entstanden vor der Entstehung des Sonnensystems und zeigen laut Péron, dass verschiedene Isotope nicht gut vermischt waren.
„Diese verschiedenen Isotope werden von verschiedenen Arten von Sternen oder Supernovas produziert“, sagte sie. „Wenn dieses Material in das Sonnensystem eingebaut wird, könnte es sein, dass einige Teile mehr von dem einen oder anderen Isotop aufnehmen.“
Die chemischen Signaturen, die von diesen antiken kosmischen Ereignissen übrig geblieben sind, geben Hinweise auf die Reise, die Materialien während seiner frühen Entwicklung zwischen verschiedenen Teilen des Sonnensystems zurücklegten.
„Wenn wir diese Anomalien sehen, sei es in Meteoriten oder auf der Erde, gibt uns das Aufschluss über die Prozesse, die in den frühen Phasen der Entstehung des Sonnensystems ablaufen“, sagte Péron.