Massereiche Sterne erzeugen auch schon vor ihrem Lebensende Eisen-60 und lassen es mit dem Sternwind ins All hinaustreiben. Im Zentrum dieses „Blasennebels“ NGC7635 befindet sich ein massereicher Stern, der mit seinem Teilchenwind eine Gashülle erzeugt hat. Sie besitzt einen Durchmesser von 7 Lichtjahren und ist 7100 Lichtjahre von der Erde entfernt.
Foto: NASA, ESA, Hubble Heritage Team, STScI/AURA

Berlin/DresdenJedes Jahr rieseln mehrere Tausend Tonnen kosmischen Staubs auf die Erde. Die meisten dieser winzigen Teilchen stammen von Asteroiden und Kometen unseres Sonnensystems. Ein kleiner Teil kommt jedoch von fernen Sternen zu uns. Er verrät sich durch eine Zutat, die es auf der Erde nicht gibt: das Isotop Eisen-60, eine Variante des Elements Eisen. Jetzt gelang es einem Forscherteam um Anton Wallner vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), solchen Sternenstaub in Tiefsee-Sedimenten aufzuspüren. Dessen Herkunft gibt Rätsel auf, berichten sie im Fachmagazin PNAS.

Der Fundort liegt in 4200 Metern Tiefe im Südostindischen Becken, rund tausend Kilometer vor der Südwestspitze Australiens. In einem dieser meterlangen Bohrkerne von der Antarctic Marine Geology Research Facility der Florida State University fanden Forscher schon vor einigen Jahren Eisen-60. Was macht gerade dieses Isotop so interessant?

Eisen-60 ist instabil und zerfällt; alle 2,6 Millionen Jahre halbiert sich eine ursprünglich vorhandene Menge. Sollte bei der Entstehung der Erde vor 4,6 Milliarden Jahren Eisen-60 vorhanden gewesen sein, so ist dies bis heute vollständig zerfallen. Irdische Quellen gibt es nicht. Weist man dieses Isotop irgendwo nach, muss es also vor nicht allzu langer Zeit aus dem Weltraum gekommen sein. Astronomen kennen hierfür vor allem eine Quelle: explodierende Sterne, auch Supernovae genannt. In dem Feuerball einer Supernova entstehen viele neue Elemente, darunter auch Eisen-60. Diese Atome lagern sich an winzige Staubteilchen an und reisen auf ihnen durch das All. Kollidieren sie irgendwann mit der Erde, so sinken sie durch die Atmosphäre zum Boden und lagern sich ab.

Explosionen in einem jungen Sternhaufen

Erstmalig entdeckte ein Team um Gunther Korschinek von der Technischen Universität München schon vor 20 Jahren Eisen-60. Sie fanden es in Mangankrusten des Südpazifik. Diese Tiefseeablagerungen sind stark eisenhaltig und wachsen sehr langsam mit einigen Millimetern pro Million Jahre. Dadurch wird das Material stark komprimiert. Seltene Substanzen wie Eisen-60 sind in kleinen Volumina konzentriert und lassen sich so besser nachweisen. Das langsame Wachstum erschwert allerdings eine Altersdatierung, weil die pro Jahr abgelagerten Schichten sehr dünn sind. Genauere Aufschlüsse sollten Tiefseebohrkerne erbringen, die in nur tausend Jahren um einige Millimeter wachsen.

Vor vier Jahren gelang dieser Nachweis tatsächlich. Interessanterweise fanden sich besonders hohe Konzentrationen in einem Zeitraum vor 1,7 bis 3,2 Millionen Jahren sowie vor 6,5 bis 8,7 Millionen Jahren. Genaue Analysen von Dieter Breitschwerdt und Jenny Feige von der Technischen Universität Berlin legten nahe, dass in einem jungen Sternhaufen etwa 16 Supernovae nacheinander explodiert waren und das Eisen-60 ins All geschleudert hatten. Die überlebenden Mitglieder des Sternhaufens lassen sich heute noch in den Sternbildern Skorpion und Centaurus beobachten. Die Explosionswolken dehnten sich aus und vereinigten sich zu einer großen Gasblase. Zum damaligen Zeitpunkt waren die Supernovae etwa 300 Lichtjahre entfernt. Damit wurde die freigesetzte UV- und Röntgenstrahlung der irdischen Biosphäre wohl nicht gefährlich. Starke Schäden erwarten Fachleute erst bei Entfernungen von weniger als 30 Lichtjahren.

Im vergangenen Jahr sorgten Forscher mit der Entdeckung von Eisen-60 in der Antarktis für Aufsehen. Hierfür hatten sie 500 Kilogramm Schnee gesammelt, in Kisten verpackt und nach Deutschland verfrachtet, wo er nach aufwändiger chemischer Aufbereitung analysiert werden konnte. Das darin gefundene Eisen-60 war allerdings nicht vor Jahrmillionen auf die Erde herabgerieselt, sondern erst kürzlich, denn der eingesammelte Schnee war nicht älter als 20 Jahre. Er schien zudem von nicht sehr weit entfernten Supernovae zu stammen. Es hat den Anschein, als wäre unser Planet in der Vergangenheit häufig dem Feuerwerk explodierender Sterne ausgesetzt gewesen. Allerdings wohl ohne gravierende Folgen für das Leben auf ihm.

Astronomen haben herausgefunden, dass sich unser Sonnensystem in einer Ansammlung von heißen Gaswolken, der sogenannten Local Interstellar Cloud, befindet. Diese könnte durch Supernovae geschaffen worden sein. Vor etwa 40.000 Jahren ist unser Sonnensystem in eine kleine Teilwolke mit einem Durchmesser von etwa 16 Lichtjahren eingetreten. In einigen tausend Jahren wird sie sie wieder verlassen. „Deshalb interessieren wir uns gerade für Sedimente jüngeren Entstehungsdatums, also der Zeit, die der Reise durch die interstellare Wolke entspricht“, beschreibt Anton Wallner die Grundidee der jüngsten Arbeit. Er hat die Forschungsarbeiten an der Australian National University (ANU) in Canberra geleitet und forscht seit kurzem am HZDR und der TU Dresden.

60 Gramm Eisen-60 in 33.000 Jahren

Der Weg vom Bohrkern zur letztlichen Analyse ist lang und sehr aufwändig, wesentlich daran beteiligt sind Silke Merchel vom HZDR und Jenny Feige von der TU Berlin. Zunächst einmal stellten sie fest, dass die obersten 13 Zentimeter des Kerns die Zeitspanne der letzten 33.000 Jahre umfassen. Dieser Bereich wurde in fünf Zentimeter lange Segmente unterteilt und dann vermessen. Die ganz wenigen darin enthaltenen Eisen-60-Atome ließen sich nur mit einem äußerst empfindlichen Beschleuniger-Massenspektrometer an der Australian National University nachweisen. Letztlich enthielten alle untersuchten Sedimente zusammen nur neunzehn Eisen-60-Atome. „Hochgerechnet auf die gesamte Erdoberfläche bedeutet dies, dass in den vergangenen 33.000 Jahren insgesamt nur 60 Gramm Eisen-60 aus dem Sternenstaub verteilt über der gesamten Erde niedergegangen sind“, so Wallner.

Das ist weniger, als die Forscher für das Ereignis von vor 1,7 bis 3,2 Millionen Jahren ermittelt haben. Stammt also das jetzt gefundene Eisen-60 nicht von einer Supernova? Sehr massereiche Sterne können auch schon vor ihrem explosiven Ende in geringeren Mengen das Isotop erzeugen und mit einem Sternwind ins All hinaustreiben lassen. Allerdings ist im Umkreis von einigen Lichtjahren kein Stern dieser Art bekannt. Wegen ihrer enormen Leuchtkraft können sie den Astronomen indes nicht entgehen. Stellt sich also die Frage, woher die Teilchen kommen und wie die interstellare Wolke entstanden ist, durch die sich unser Sonnensystem bewegt.

Wallner weist auf eine Möglichkeit hin, die Kollegen jüngst aufbrachten: Es sei denkbar, „dass das in Staubpartikeln eingeschlossene Eisen-60 im interstellaren Medium mehrmals reflektiert worden sei, also gewissermaßen herumgeschubst wurde“, so Wallner. Damit wären die Teilchen wesentlich länger im All unterwegs gewesen als vermutet. Folglich könnte das nachgewiesene Eisen-60 von älteren Supernovae stammen, deren Explosionswolken heute nicht mehr auffindbar sind. „Dann messen wir eine Art Echo dieser kosmischen Eruptionen.“ 

Diese Astronomie vom Meeresgrund aus bietet Astrophysikern ganz neue Einsichten in den Aufbau und die Entwicklung der Milchstraße.