Heidelberger Forscher analysieren chemische

Heidelberger Forscher analysieren chemische Zusammensetzung von Weltraumstaub
jenseits des Sonnensystems
Untersucht wurden äußert seltene und extrem kleine Partikel, die die Sonde „Cassini“
identifiziert hat
Ein in Heidelberg konstruierter Staubdetektor auf der Raumsonde „Cassini“ – der Cosmic Dust Analyser (CDA) –
hat mehrere extrem kleine und sehr seltene Partikel interstellaren Staubs aus dem Raum außerhalb unseres
Sonnensystems identifiziert und deren chemische Zusammensetzung gemessen. Dabei hat sich überraschend
gezeigt, dass die unterschiedlichen Staubteilchen sehr ähnlich zusammengesetzt sind und den gesamten
Elementmix des Kosmos in sich versammeln. Sie unterscheiden sich zudem stark von Sternenstaub, der vor 4,6
Milliarden Jahren bei der Bildung des Sonnensystems in Meteoriten eingeschlossen wurde. Die Experten
vermuten daher, dass der Staub in der „Hexenküche“ des Weltraums fortlaufend zerstört, neugebildet und damit
in seiner Zusammensetzung angeglichen wird. An den Untersuchungen eines internationalen Forscherteams
waren Wissenschaftler des Instituts für Geowissenschaften und des Klaus-Tschira-Labors für Kosmochemie der
Universität
Heidelberg
mit
der
Durchführung
der
chemischen
Analysen
maßgeblich
beteiligt.
Die
Forschungsergebnisse wurden in der Zeitschrift „Science“ veröffentlicht.
„Interstellarer Staub, dessen einzelne Teilchen nur etwa 200 Nanometer groß und sehr schwer zu finden sind, ist
gewissermaßen die letzte Bastion des Unbekannten im Weltraum“, erklärt der Heidelberger Geowissenschaftler
Prof. Dr. Mario Trieloff, der das von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderte Schwerpunktprogramm
„Die ersten zehn Millionen Jahre des Sonnensystems“ koordiniert. Der Staub ist dabei Teil der interstellaren
Materie, die neben schweren Elementen im Wesentlichen aus Wasserstoffgas und Helium besteht und aus der
durch Verdichtungsprozesse Sterne und Planeten entstehen können. Diese Teilchen bildeten auch das
Rohmaterial für die schweren Elemente, die das Haupt-Baumaterial der Erde und anderer terrestrischer Planeten
waren.
Für Untersuchungen des interstellaren Staubs ist die Wissenschaft bisher darauf angewiesen, dass Teilchen
davon in unser Sonnensystem gelangen. Die Raumsonde „Stardust“ konnte bereits Partikel des sehr schwachen
Stroms einfangen, der durch unser Sonnensystem zieht. „Diese Teilchen waren allerdings ungewöhnlich groß.
Daher sind die Untersuchungsergebnisse daraus möglicherweise nicht repräsentativ“, erläutert Prof. Trieloff.
Dagegen konnte die „Cassini“-Raumsonde, die seit zwölf Jahren im Saturn-System unterwegs ist, unter Millionen
planetarer Staubpartikel 36 Partikel interstellaren Staubs identifizieren. Im Gegensatz zu den von „Stardust“
gesammelten Teilchen ist der Cassini-Detektor in der Lage, sie mit Hilfe von Massenspektrometrie direkt vor Ort
zu untersuchen. „Dies hat deutlich präzisere Ergebnisse als bisher ermöglicht“, sagt der Geowissenschaftler.
Nach Angaben von Dr. Frank Postberg, Heisenberg-Stipendiat am Institut für Geowissenschaften und einer der
Wissenschaftler,
die
schon
seit
Jahren
mit
dem
CDA
arbeiten,
konnten
damit
zum
ersten
Mal
massenspektrometrische Messungen an „einer statistisch bedeutsamen Menge solcher Staubpartikel“
durchgeführt werden. Dies war nur möglich, nachdem in Heidelberg mit Hilfe aufwendiger Versuchsreihen
Labormodelle des Staubdetektors kalibriert wurden. Dazu musste sogenannter Silikatstaub im Labor auf bis zu 40
Kilometer pro Sekunde beschleunigt werden, was in etwa der Geschwindigkeit interstellaren Staubs entspricht.
„Das Ergebnis der Messungen war überraschend“, sagt Dr. Postberg. „Die 36 Partikel interstellaren Ursprungs,
die in ihrer Zusammensetzung sehr ähnlich sind, enthalten eine Mischung der wichtigen gesteinsbildenden
Elemente Magnesium, Eisen, Silicium und Calcium in durchschnittlichen kosmischen Häufigkeiten. Obwohl ein
Staubteilchen weniger als ein Billionstel Gramm Masse besitzt, ist darin mit Ausnahme sehr flüchtiger Gase der
gesamte Elementmix des Kosmos versammelt. Solche Teilchen lassen sich in unserem Sonnensystem nicht
finden.“ Eigentlich hätten die meisten Wissenschaftler verschieden zusammengesetzte Staubpopulationen
erwartet, die den verschiedenen Entstehungsprozessen in Atmosphären sterbender Sterne entsprechen. Sie
finden sich auch im Sternenstaub in Meteoriten, der in seiner Isotopenzusammensetzung höchst individuell ist.
„Unsere Daten erzählen aber eine völlig andere Geschichte, und die gleichmäßige Zusammensetzung der
interstellaren Teilchen hat uns sehr überrascht“, betont Dr. Postberg.
Nach Einschätzung der Wissenschaftler hat der Staub seine Individualität verloren, weil er in der kosmischen
„Hexenküche“ des interstellaren Mediums homogenisiert wurde. Dort befinden sich riesige, Millionen Grad heiße
Blasen von Supernovaexplosionen, deren Ränder aus Schockfronten bestehen, die mit hunderten Kilometern pro
Sekunde expandieren, wie der Erstautor und ESA-Wissenschaftler Dr. Nicolas Altobelli erläutert. Nach seinen
Worten haben theoretische Überlegungen bereits nahegelegt, dass interstellarer Staub diese energiereiche
Umgebung nur ein paar hundert Millionen Jahre überleben kann und es nur einigen „Lucky Survivors“ gelingt, als
intakter
Sternenstaub
in
sich
neu
bildende
Planetensysteme
zu
gelangen.
Die
aktuellen
Untersuchungsergebnisse bestätigten nun, dass die meisten Partikel zerstört und in kühlen und dichten Regionen
des Weltalls – den Molekülwolken – wieder neu gebildet werden. Von dort aus bringen interstellare Winde diese
Teilchen in unser Sonnensystem – als homogenisierten Staub aus der interstellaren „Hexenküche“.
Der Staubdetektor wurde von Wissenschaftlern des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), des
Max-Planck-Instituts für Kernphysik in Heidelberg und der University of Canterbury (Großbritannien) entwickelt.
DLR und die europäische Weltraumbehörde ESA unterstützen den Betrieb des Messinstruments. Die
Projektleitung hat Dr. Ralf Srama vom Institut für Raumfahrtsysteme der Universität Stuttgart. Die chemischen
Analysen werden von Dr. Postberg und Prof. Trieloff geleitet. Die Forschungsarbeiten wurden von der Klaus
Tschira Stiftung unterstützt.
Originalveröffentlichung:
N. Altobelli, F. Postberg, K. Fiege, M. Trieloff, et al: Flux and composition of interstellar dust at Saturn from
Cassini’s Cosmic Dust Analyzer. Science, 15. April 2016, Vol 353, Issue 6283, 321-318.
Kontakt:
Prof. Dr. Mario Trieloff / Dr. Frank Postberg
Institut für Geowissenschaften
Telefon (06221) 54-6022 (Trieloff) / -8209 (Postberg)
[email protected] / [email protected]