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Staub liefert Hinweise auf ursprüngliches Wasser am Rand des Sonnensystems
Winzige kosmische Staubteilchen könnten die chemische Signatur eines ursprünglichen Wasserreservoirs bewahrt haben. Messungen an zwölf Partikeln zeigen ungewöhnliche Verhältnisse stabiler Sauerstoffisotope, die auf Wasser mit einem hohen Anteil schwerer Sauerstoffvarianten schließen lassen. Das deutet darauf hin, dass dieses Reservoir in der Frühzeit des Sonnensystems weitgehend von den inneren Regionen getrennt blieb.
Houston (U.S.A.). Der Kuipergürtel jenseits der Neptunbahn enthält zahlreiche eisreiche Kleinkörper und gilt als Relikt aus der Entstehungszeit des Sonnensystems. Wie sich das Wasser in dieser fernen Region von dem in anderen Teilen des Sonnensystems unterschied, lässt sich allerdings nur schwer bestimmen. Von dort sind kaum Proben mit eindeutig bekannter Herkunft verfügbar.
Eine mögliche Spur liefern die Isotope des Sauerstoffs, die sich durch die Zahl ihrer Neutronen unterscheiden. Neben dem häufigen Sauerstoff-16 existieren zwei stabile schwerere Varianten, deren Mengenverhältnisse Rückschlüsse auf frühere chemische Prozesse erlauben. In Meteoriten ist die Signatur eines besonders an schweren Sauerstoffisotopen reichen Wassers bisher nur selten erhalten geblieben.
Forscher des Johnson Space Center (JSC) um Dr. Lindsay P. Keller haben nun zwölf interplanetare Staubpartikel von etwa zehn bis 30 Mikrometern Größe untersucht. Die Teilchen waren in der Stratosphäre gesammelt worden und wurden anschließend mit Elektronenmikroskopen und einer Ionenmikrosonde auf ihre Mineralien, chemischen Elemente und Sauerstoffisotope hin analysiert.
Ein wichtiger Hinweis auf ihre Herkunft sind besonders dichte Strahlungsspuren in einigen enthaltenen Kristallen. Sie entstehen, wenn energiereiche Sonnenteilchen während der Reise durch das All das Kristallgitter beschädigen. Die Spurdichten passen zu einer deutlich längeren Reise als bei Staub aus dem Asteroidengürtel oder von Kometen der Jupiterfamilie. Das spricht für einen Ursprung im weit entfernten Edgeworth-Kuipergürtel.
Die Körnchen enthalten große Mengen wasserhaltiger Tonminerale, vor allem Saponit und in geringeren Mengen Serpentin. Solche Minerale entstehen, wenn ursprünglich wasserfreie Silikate bei niedrigen Temperaturen mit Wasser reagieren. Zudem lag der Kohlenstoffgehalt im Mittel etwa viermal so hoch wie bei CI-Chondriten, einer besonders ursprünglichen Gruppe kohlenstoffreicher Meteoriten.
Die Sauerstoffisotope der zwölf Partikel unterscheiden sich deutlich von den Werten vieler wasserhaltiger kohlenstoffreicher Meteoriten. Um daraus die Zusammensetzung des einst beteiligten Wassers abzuleiten, haben die Wissenschaftler die Messdaten mit einem chemischen Massenbilanzmodell verknüpft. Sie berücksichtigten dabei, wie viel Sauerstoff aus den ursprünglichen Silikaten und wie viel aus dem reagierenden Wasser in die neuen Minerale gelangt sein dürfte.
Für dieses ursprüngliche Wasser errechnete das Team einen mittleren δ¹⁸O-Wert von etwa +155 ± 17 Promille gegenüber einem irdischen Standard. Er bezeichnet die relative Abweichung eines Sauerstoffisotopenverhältnisses und ist keine direkte Messung einer erhaltenen Wasserprobe. Nach den Modellannahmen handelt es sich um eine Obergrenze, weil nicht jede Form des ursprünglich vorhandenen Wassers in der Rechnung erfasst werden konnte.
Der Befund deutet auf eine deutliche Anreicherung der schweren Sauerstoffisotope Sauerstoff-17 und Sauerstoff-18 im damaligen Wasser hin. Das hier gemeinte „schwere Wasser“ ist daher nicht mit Deuteriumoxid (D₂O) zu verwechseln, bei dem der Wasserstoff schwerer ist. Die errechneten Isotopenwerte unterscheiden sich auch von den Wasserzusammensetzungen, die für die Umwandlung bestimmter kohlenstoffreicher Meteoriten angenommen werden.
Die Ergebnisse sprechen dafür, dass der äußere Teil der frühen Gas- und Staubscheibe ein eigenes Wasserreservoir bewahrte, das nur begrenzt mit weiter innen gelegenen Bereichen durchmischt wurde. Als mögliche Trennung kommen Saturn und die Eisriesen infrage. M