Verfolgung erdnaher kosmischer Explosionen

Wenn massereiche Sterne oder andere stellare Objekte in der kosmischen Nachbarschaft der Erde explodieren, können ausgeschleuderte Trümmer auch unser Sonnensystem erreichen. Spuren solcher Ereignisse finden sich auf der Erde oder dem Mond und können mit der Beschleuniger-Massenspektrometrie, kurz AMS, nachgewiesen werden.

Einen Überblick über diese spannende Forschung gibt die Zeitschrift Jahresrückblick auf die Kern- und Teilchenwissenschaft von Prof. Anton Wallner vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), der mit der neuen, hochempfindlichen AMS-Anlage HAMSTER diesen vielversprechenden Forschungszweig bald entscheidend vorantreiben will.

In ihrem Artikel geben der HZDR-Physiker Anton Wallner und sein Kollege Prof. Brian D. Fields von der University of Illinois in Urbana, USA, einen Überblick über erdnahe kosmische Explosionen mit besonderem Fokus auf Ereignisse, die vor 3 Millionen bzw. 7 Millionen auftraten vor Millionen Jahren.

„Zum Glück waren diese Ereignisse noch weit genug entfernt, so dass sie wahrscheinlich keinen nennenswerten Einfluss auf das Erdklima oder große Auswirkungen auf die Biosphäre hatten. Richtig ungemütlich wird es allerdings, wenn kosmische Explosionen in einer Entfernung von 30 Lichtjahren oder weniger auftreten.“ “ erklärt Wallner. Umgerechnet in die astrophysikalische Einheit Parsec entspricht dies weniger als acht bis zehn Parsec.

Sobald massereiche Sterne ihren gesamten Treibstoff verbrannt haben, kollabieren ihre Kerne zu einem ultradichten Neutronenstern oder einem Schwarzen Loch, während gleichzeitig heißes Gas mit hoher Geschwindigkeit nach außen geschleudert wird. Ein großer Teil des zwischen den Sternen fein verteilten Gases und Staubs wird von einer sich ausdehnenden Schockwelle weggetragen.

Wie ein riesiger Ballon mit Beulen und Dellen reißt diese Hülle auch bereits im Weltraum vorhandenes Material mit sich. Nach vielen tausend Jahren haben sich die Überreste einer Supernova auf einen Durchmesser von mehreren 10 Parsec ausgedehnt und breiten sich immer langsamer aus, bis die Bewegung schließlich aufhört.

Eine nahegelegene Explosion könnte die Biosphäre der Erde ernsthaft zerstören und ein Massensterben auslösen, ähnlich dem Asteroideneinschlag vor 66 Millionen Jahren. Die Dinosaurier und viele andere Tierarten fielen diesem Ereignis zum Opfer. „Betrachtet man den Zeitraum seit der Entstehung des Sonnensystems, der Milliarden von Jahren umfasst, sind sehr nahe kosmische Explosionen nicht auszuschließen“, betont Wallner.

Dennoch treten Supernovae nur bei sehr schweren Sternen mit mehr als der acht- bis zehnfachen Masse unserer Sonne auf. Solche Sterne sind selten. Einer der nächsten Kandidaten dieser Größe ist der Rote Überriese Beteigeuze im Sternbild Orion, der sich in einer sicheren Entfernung von etwa 150 Parsec von unserem Sonnensystem befindet.

Produktion interstellarer Isotope

Bei kosmischen Explosionen oder kurz vor und während der Supernova entstehen viele neue Atome – darunter auch eine Reihe radioaktiver Atome. Wallner interessiert sich besonders für das radioaktive Eisenisotop mit der Atommasse 60. Etwa die Hälfte dieser Isotope, kurz Eisen-60 genannt, hat sich nach 2,6 Millionen Jahren in ein stabiles Nickelisotop verwandelt. Daher ist alles Eisen-60, das bei der Entstehung der Erde vor etwa 4.500 Millionen Jahren vorhanden war, längst verschwunden.

„Eisen-60 ist auf der Erde äußerst selten, da es auf natürliche Weise nicht in nennenswerten Mengen produziert wird. Allerdings wird es in großen Mengen produziert, kurz bevor eine Supernova stattfindet. Wenn dieses Isotop jetzt in Sedimenten aus dem Ozean auftaucht Boden oder in Material von der Mondoberfläche, stammte es wahrscheinlich von einer Supernova oder einem anderen ähnlichen Prozess im Weltraum, der erst vor wenigen Millionen Jahren in der Nähe der Erde stattgefunden hat“, sagt Wallner.

Gleiches gilt für das Plutonium-Isotop mit der Atommasse 244. Allerdings entsteht dieses Plutonium-244 eher durch die Kollision von Neutronensternen als durch Supernovae. Somit ist es ein Indikator für die Nukleosynthese schwerer Elemente. Nach einem Zeitraum von 80 Millionen Jahren hat sich etwa die Hälfte des Plutonium-244-Isotops in andere Elemente umgewandelt. Daher ist das langsam zerfallende Plutonium-244 neben Eisen-60 ein weiterer Indikator für galaktische Ereignisse und die Produktion neuer Elemente in den letzten Millionen Jahren.

„Wie oft, wo und unter welchen Bedingungen diese schweren Elemente genau entstehen, ist derzeit Gegenstand intensiver wissenschaftlicher Debatten. Auch Plutonium-244 erfordert explosive Ereignisse und entsteht der Theorie zufolge ähnlich wie die Elemente Gold oder Platin.“ „Auf der Erde kamen sie schon immer natürlich vor, bestehen aber heute aus stabilen Atomen“, erklärt Wallner.

Staubpartikel als kosmische Frachtschiffe

Doch wie gelangen diese Isotope überhaupt zur Erde? Die von der Supernova ausgestoßenen Eisen-60-Atome sammeln sich gerne in Staubpartikeln. Dies gilt auch für die Plutonium-244-Isotope, die möglicherweise bei anderen Ereignissen entstanden und von der expandierenden Hülle der Supernova mitgerissen wurden.

Nach kosmischen Explosionen in einer Entfernung von mehr als zehn, aber weniger als 150 Parsec verhindern der Theorie zufolge der Sonnenwind und das Magnetfeld der Heliosphäre, dass einzelne Atome die Erde erreichen. Die in Staubpartikeln eingeschlossenen Eisen-60- und Plutonium-244-Atome fliegen jedoch weiterhin in Richtung Erde und Mond, wo sie schließlich an die Oberfläche rieseln können.

Selbst wenn eine Supernova innerhalb des sogenannten „Tötungsradius“ von weniger als zehn Parsec auftritt, landet nicht einmal ein Mikrogramm Materie aus der Hülle auf jedem Quadratzentimeter. Tatsächlich erreichen jedes Jahr nur sehr wenige Eisen-60-Atome pro Quadratzentimeter die Erde.

Für „Forscher“ wie den Physiker Anton Wallner stellt das eine enorme Herausforderung dar: In einer ein Gramm schweren Sedimentprobe sind vielleicht ein paar tausend Eisen-60-Atome wie Nadeln im Heuhaufen unter Milliarden mal Milliarden der allgegenwärtigen und stabilen Eisenatome verteilt Atommasse von 56. Darüber hinaus detektiert selbst die empfindlichste Messmethode möglicherweise nur jedes fünftausendste Teilchen, also maximal nur wenige Eisen-60-Atome in einer typischen Messprobe.

Solch extrem niedrige Konzentrationen können nur mit der Accelerator Mass Spectrometry, kurz AMS, bestimmt werden. Eine dieser Einrichtungen, das Dresden AMS (DREAMS), ist am HZDR angesiedelt, bald soll auch das Helmholtz Accelerator Mass Spectrometer Tracing Environmental Radionuclides (HAMSTER) hinzukommen. Da AMS-Anlagen rund um den Globus unterschiedlich konzipiert sind, können sich die verschiedenen Anlagen bei der Suche nach seltenen Isotopen aus Supernova-Explosionen ergänzen.

20 Jahre für nur 1.000 Eisen-60-Atome

Isotope desselben Elements, aber mit unterschiedlicher Masse, wie das natürlich vorkommende Eisen-56, werden mit Massenfiltern entfernt. Auch Atome anderer Elemente mit der gleichen Masse wie das Zielobjekt Eisen-60, beispielsweise das natürlich vorkommende Nickel-60, stören. Selbst nach einer sehr aufwendigen chemischen Aufbereitung der Proben kommen sie immer noch milliardenfach häufiger vor als Eisen-60 und müssen in einer speziellen Beschleunigeranlage mit kernphysikalischen Methoden getrennt werden.

Am Ende werden in einem mehrstündigen Messvorgang vielleicht fünf einzelne Eisen-60-Atome identifiziert. An der TU München wurden Pionierarbeiten zum Eisen-60-Nachweis durchgeführt. Derzeit ist Canberra an der Australian National University jedoch die einzige existierende Einrichtung weltweit, die empfindlich genug ist, um solche Messungen durchzuführen.

Insgesamt wurden in den letzten 20 Jahren nur etwa tausend Eisen-60-Atome gemessen. Für das interstellare Plutonium-244, das in mehr als 10.000-fach geringeren Konzentrationen vorkommt, lagen lange Zeit nur Daten für einzelne Atome vor. Erst kürzlich ist es gelungen, in einer speziellen Infrastruktur in Sydney etwa hundert Plutonium-244-Atome zu bestimmen – ähnlich der HAMSTER-Anlage, die derzeit am HZDR entwickelt wird.

Für die Untersuchung eignen sich jedoch nur bestimmte Proben, die als Archive dienen und diese aus dem Weltraum stammenden Atome für Millionen von Jahren bewahren. Beispielsweise werden Proben von der Erdoberfläche durch geologische Prozesse schnell „verdünnt“. Ideal sind Sedimente und Krusten aus der Tiefsee, die sich langsam und ungestört am Meeresboden bilden. Alternativ eignen sich Proben von der Mondoberfläche, da störende Prozesse kaum ein Problem darstellen.

Auf einer Forschungsreise bis Anfang November 2023 werden Wallner und seine Kollegen an besonders geeigneten AMS-Anlagen in den australischen Städten Canberra (Eisen-60) und Sydney (Plutonium-244) nach weiteren kosmischen Isotopen suchen. Zu diesem Zweck hat er von der US-Raumfahrtbehörde NASA eine Reihe von Mondproben erhalten.

„Parallelmessungen finden auch am HZDR statt. Diese einzigartigen Proben werden uns neue Erkenntnisse über Supernova-Explosionen in der Nähe der Erde, aber auch über die schwersten Elemente unserer Galaxie, die durch diese und andere Prozesse entstehen, ermöglichen“, sagt Wallner.