Ryugu-Proben stellen frühere Vorstellungen über die Entstehung kohlenstoffreicher Asteroiden in Frage

Der Asteroid Ryugu ist möglicherweise nicht so weit von seinem Ursprungsort bis zu seiner aktuellen erdnahen Umlaufbahn gereist wie bisher angenommen. Neue Forschung veröffentlicht im Tagebuch Wissenschaftliche Fortschritte legt nahe, dass Ryugu in der Nähe von Jupiter entstand.

Frühere Studien hatten auf einen Ursprung jenseits der Saturnbahn hingewiesen. Vor vier Jahren brachte die japanische Raumsonde Hayabusa 2 Proben von Ryugu zurück zur Erde. Forscher um das Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS) in Deutschland haben nun verglichen, welche Arten von Nickel in diesen Proben sowie in typischen kohlenstoffreichen Meteoriten vorkommen.

Die Ergebnisse zeigen eine Alternative zu früheren Vorstellungen über die Geburtsorte dieser Körper: In derselben Region in der Nähe von Jupiter könnten sich verschiedene kohlenstoffreiche Asteroiden gebildet haben – wenn auch teilweise durch unterschiedliche Prozesse und im Abstand von etwa zwei Millionen Jahren.

Seit Dezember 2020, als die Proben des Asteroiden Ryugu zur Erde zurückgebracht wurden, haben die wenigen Gramm Material einiges durchgemacht. Nach ersten Untersuchungen in Japan reisten einige der winzigen, tiefschwarzen Körner zu Forschungseinrichtungen auf der ganzen Welt.

Dort wurden sie unter anderem vermessen, gewogen, chemisch analysiert und Infrarot-, Röntgen- und Synchrotonstrahlung ausgesetzt. Am MPS untersuchen Forscher wie in der aktuellen Studie die Verhältnisse bestimmter Metallisotope in den Proben. Wissenschaftler bezeichnen Isotope als Varianten desselben Elements, die sich nur in der Anzahl der Neutronen im Kern unterscheiden. Untersuchungen dieser Art können helfen zu verstehen, wo im Sonnensystem Ryugu entstanden ist.

Ryugus Reise durch das Sonnensystem

Ryugu ist ein erdnaher Asteroid. Seine Umlaufbahn um die Sonne kreuzt die der Erde (ohne Kollisionsgefahr). Forscher gehen jedoch davon aus, dass Ryugu wie andere erdnahe Asteroiden nicht im inneren Sonnensystem beheimatet ist, sondern vom Asteroidengürtel zwischen den Umlaufbahnen von Mars und Jupiter dorthin gelangt ist. Die tatsächlichen Geburtsorte der Asteroidengürtelpopulation liegen wahrscheinlich noch weiter von der Sonne entfernt, außerhalb der Umlaufbahn des Jupiter.

Ryugus „Familienbeziehungen“ können helfen, Licht auf seinen Ursprung und seine weitere Entwicklung zu werfen. Inwieweit ähnelt Ryugu den Vertretern bekannter Meteoritenklassen? Dabei handelt es sich um Fragmente von Asteroiden, die vom Weltraum zur Erde gelangt sind.

Untersuchungen der letzten Jahre haben eine Überraschung ergeben: Ryugu passt erwartungsgemäß in die große Schar kohlenstoffreicher Meteoriten, der kohlenstoffhaltigen Chondrite. Detaillierte Untersuchungen seiner Zusammensetzung ordnen es jedoch einer seltenen Gruppe zu: den sogenannten CI-Chondriten. Diese werden auch als Chondrite vom Ivuna-Typ bezeichnet, benannt nach dem Fundort ihres bekanntesten Vertreters in Tansania.

Außer dem Ivuna-Chondrit selbst wurden bisher nur acht weitere dieser exotischen Exemplare entdeckt. Da ihre chemische Zusammensetzung der der Sonne ähnelt, gelten sie als besonders ursprüngliches Material, das am äußersten Rand des Sonnensystems entstanden ist.

„Bisher waren wir davon ausgegangen, dass Ryugus Ursprungsort ebenfalls außerhalb der Saturnbahn liegt“, erklärt MPS-Wissenschaftler Dr. Timo Hopp, Co-Autor der aktuellen Studie, der bereits frühere Untersuchungen zur Isotopenzusammensetzung von Ryugu geleitet hat.

Die neuesten Analysen der Göttinger Wissenschaftler zeichnen nun ein anderes Bild. Zum ersten Mal hat das Team die Verhältnisse von Nickelisotopen in vier Proben des Asteroiden Ryugu und sechs Proben kohlenstoffhaltiger Chondrite untersucht. Die Ergebnisse bestätigen die enge Beziehung zwischen Ryugu und den CI-Chondriten. Allerdings ist die Idee eines gemeinsamen Geburtsortes am Rande des Sonnensystems nicht mehr zwingend.

Eine fehlende Zutat

Was war passiert? Bisher hatten Forscher kohlige Chondrite als Gemische aus drei „Zutaten“ verstanden, die im Querschnitt sogar mit bloßem Auge erkennbar sind. Eingebettet in feinkörniges Gestein sind runde, millimetergroße Einschlüsse sowie kleinere, unregelmäßig geformte Einschlüsse dicht aneinander gepackt. Die unregelmäßigen Einschlüsse sind das erste Material, das in der heißen Gasscheibe, die einst die Sonne umkreiste, zu festen Klumpen kondensierte. Später bildeten sich die runden, silikatreichen Chondren.

Bisher haben Forscher Unterschiede in der Isotopenzusammensetzung zwischen CI-Chondriten und anderen Gruppen kohlenstoffhaltiger Chondriten auf unterschiedliche Mischungsverhältnisse dieser drei Bestandteile zurückgeführt. CI-Chondrite beispielsweise bestehen überwiegend aus feinkörnigem Gestein, während ihre Geschwister deutlich reicher an Einschlüssen sind. Allerdings passen die Ergebnisse der Nickelmessungen nicht in dieses Schema, wie das Team in der aktuellen Veröffentlichung beschreibt.

Die Berechnungen der Forscher zeigen nun, dass ihre Messungen nur durch eine vierte Zutat erklärt werden können: winzige Eisen-Nickel-Körner, die sich ebenfalls bei der Entstehung der Asteroiden angesammelt haben müssen. Im Fall von Ryugu und den CI-Chondriten muss dieser Prozess besonders effizient gewesen sein.

„Bei der Bildung der Ryugu- und CI-Chondriten einerseits und der anderen Gruppen kohliger Chondrite andererseits müssen völlig unterschiedliche Prozesse am Werk gewesen sein“, fasst Fridolin Spitzer vom MPS, Erstautor der neuen Studie, zusammen Grundgedanke.

Den Forschern zufolge begannen sich die ersten kohlenstoffhaltigen Chondrite etwa zwei Millionen Jahre nach der Entstehung des Sonnensystems zu bilden. Angezogen durch die Gravitationskraft der noch jungen Sonne gelangten Staub und erste feste Klumpen vom äußeren Rand der Gas- und Staubscheibe in das innere Sonnensystem, stießen dabei aber auf ein Hindernis: den neu entstehenden Jupiter.

Außerhalb seiner Umlaufbahn sammelten sich vor allem die schwereren und größeren Klumpen an – und wuchsen so zu kohligen Chondriten mit ihren vielen Einschlüssen heran. Gegen Ende dieser Entwicklung, nach rund zwei Millionen Jahren, gewann ein anderer Prozess die Oberhand: Unter dem Einfluss der Sonne verdampfte das ursprüngliche Gas nach und nach außerhalb der Jupiterbahn, wodurch sich vor allem Staub und Eisen-Nickel-Körner ansammelten. Dies führte zur Geburt der CI-Chondriten.

„Die Ergebnisse haben uns sehr überrascht. Wir mussten völlig umdenken – nicht nur im Hinblick auf Ryugu, sondern auch im Hinblick auf die gesamte Gruppe der CI-Chondriten“, sagt Dr. Christoph Burkhard vom MPS.

Die CI-Chondriten erscheinen nicht mehr als entfernte, etwas exotische Verwandte der anderen kohlenstoffhaltigen Chondriten vom äußersten Rand des Sonnensystems, sondern eher als jüngere Geschwister, die möglicherweise in derselben Region, aber durch einen anderen Prozess und später, entstanden sind.

„Die aktuelle Studie zeigt, wie entscheidend Laboruntersuchungen bei der Entschlüsselung der Entstehungsgeschichte unseres Sonnensystems sein können“, sagt Prof. Dr. Thorsten Kleine, Direktor der Abteilung Planetologie am MPS und Mitautor der Studie.