Neue Beweise: Was radioaktives Eisen im Arktisschnee uns über Sternenexplosionen sagt

Was haben Detektive und Forscher gemeinsam? Sie suchen nach Spuren, durch die sie vergangene Ereignisse rekonstruieren können. Das Ereignis, für das ein internationales Forschungsteam unter Leitung des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) nun Beweise gefunden hat, ist sehr lange her und hatte ein enormes Ausmaß. Es geht um die Explosion von massereichen Sternen.

Der Fingerabdruck ist das besondere radioaktive Eisen-60-Isotop und gefunden wurde es im Schnee der Antarktis, der vor weniger als 20 Jahren gefallen ist. Das Merkwürdige war aber, dass es in jüngerer Zeit keine nahe gelegenen Explosionen größerer Sterne gab, die ihr Material Richtung Erde hätten schleudern können.

Forschende gehen davon aus, dass im Inneren solcher Sterne dieses Isotop „erbrütet“ wird und nur durch eine Explosion ins All gelangt – und damit zur Erde. Bei der Formung unseres Planeten vor 4,5 Mrd. Jahren könnte auch Eisen-60 vorhanden gewesen sein, allerdings wäre dieses bei einer Halbwertszeit von 2,6 Mio. Jahren heute längst komplett zerfallen. Wo also kommt das neue Eisen-60 her?

Neue Theorie: Lokale Interstellare Wolke speichert Sternen-Reste

Durch die Messung des interstellaren Windes sowie die Absorption bestimmter Lichtspektren von Sternen und Daten schließen Astro-Fachleute schon seit Längerem darauf, dass unser Sonnensystem vor mehreren Zehntausend Jahren in eine „Lokale Interstellare Wolke“ aus Gas und Staub eintrat. „Derzeit befinden wir uns an deren Rand“, schreibt die Forschungsgruppe – und dass wir die Wolke in einigen Tausend Jahren wieder verlassen werden.

„Unsere Idee war, dass die Lokale Interstellare Wolke Eisen-60 enthält und über längere Zeiträume bis heute speichern kann. Während das Sonnensystem die Wolke durchquert, könnte die Erde dieses Material aufnehmen. Belegen konnten wir das damals allerdings nicht“, sagt Dominik Koll vom HZDR-Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung.

Bohrkern mit Zehntausende Jahre altem Eis bringt Gewissheit

Doch was, wenn die Fachleute einen Eisbohrkern aus der Zeit rund um den vermuteten Eintritt des Sonnensystems in die Interstellare Wolke untersuchen könnten? Das Alfred-Wegener-Institut Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) stellte dem Forschungsteam eine Probe aus dem europäischen Eisbohrprojekt Epica (European Project for Ice Coring in Antarctica) zur Verfügung.

Und tatsächlich: Der Vergleich des Eisen-60-Gehalts mit früheren Tiefsee- und Schneeproben zeigte, dass vor 40.000 bis 80.000 Jahren weniger Eisen-60 die Erde erreichte als heute und in der noch jüngeren Vergangenheit. „Das deutet darauf hin, dass wir uns zuvor in einem Medium mit weniger Eisen-60 befanden oder dass die Wolke selbst starke Dichteunterschiede aufweist“, erläutert Koll.

Die Probe zeigte: Das Eisen-60-Signal verändert sich auf kosmischen Zeitskalen bemerkenswert schnell innerhalb weniger Zehntausend Jahre. Mit diesem Wissen konnten die Forscher und Forscherinnen alternative Erklärungen für die Quelle des Eisen-60-Eintrags ausschließen, etwa ein Abklingen Millionen Jahre alter Sternexplosionen. „Das bedeutet, dass die Wolken um das Sonnensystem herum mit einer Sternexplosion zusammenhängen“, sagt Koll.

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Einzige geeignete Messanlage weltweit steht in Australien

Für die Messungen bereitete das Team rund 300 kg Eis in Dresden chemisch auf – ein langwieriger Prozess, bei dem am Ende nur wenige Hundert Milligramm Staub übrig blieben. Schritt für Schritt isolierte es das Eisen-60, wobei sie bei jedem Arbeitsschritt Verluste vermeiden mussten. Für die endgültige Messung existiert derzeit weltweit nur eine Einrichtung, die so winzige Mengen an Eisen-60 nachweisen kann: die HIAF-Anlage (Heavy Ion Accelerator Facility) an der Australian National University. Mithilfe elektrischer und magnetischer Filter sortierte das Forschungsteam die unerwünschten Atome in Abhängigkeit von ihrer Masse aus, bis nur noch eine Handvoll der Eisen-60-Atome von ursprünglich 10 Trillionen anderer Atome zum Nachweis übrig blieb.

„Das ist, als würde man eine Nadel in 50.000 Fußballstadien suchen, die bis zur Decke mit Heu gefüllt sind. Die Maschine findet die Nadel in einer Stunde“, erklärt Annabel Rolofs von der Universität Bonn.

Internationale Zusammenarbeit und die Ausdauer der Forschenden führten zur Entwicklung einer extrem empfindlichen Methode, die kosmische Explosionen noch heute in geologischen Archiven – wie dem Arktis-Eis – nachweisen können, selbst wenn sie bereits Jahrmillionen zurückliegen. Das Team plant somit bereits weitere Messungen. Ziel ist es, einen noch älteren Eisbohrkern zu analysieren, der aus der Zeit vor dem Eintritt in die Lokale Interstellare Wolke stammt.

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