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Sternenstaub im antarktischen Eis zeigt die Geschichte des Sonnensystems
Kosmisches Logbuch: Winzige Mengen des radioaktiven Isotops Eisen-60 in antarktischem Eis zeichnen nach, wie sich die Umgebung unseres Sonnensystems in den vergangenen 80.000 Jahren verändert hat. Ein deutlich schwächerer Eintrag vor 40.000 bis 81.000 Jahren spricht dafür, dass die Lokale Interstellare Wolke Sternenstaub aus früheren Supernovae speichert und räumlich nicht gleichförmig aufgebaut ist.
Dresden (Deutschland). Unser Sonnensystem reist nicht durch völlig leeren Raum. Es durchquert derzeit die Lokale Interstellare Wolke, eine dünne Wolke aus Gas und Staub, deren Ursprung und innere Struktur noch nicht vollständig geklärt sind. Einen besonders seltenen Wegweiser liefert dabei Eisen-60, ein radioaktives Isotop mit einer Halbwertszeit von rund 2,6 Millionen Jahren, das auf der Erde heute vor allem als Überrest vergangener Supernovae erwartet wird.
Frühere Funde von Eisen-60 in Tiefseesedimenten und antarktischem Schnee zeigten, dass solcher Sternenstaub die Erde seit langer Zeit erreicht. Unklar blieb jedoch, ob die heutige Wolke das Material alter Explosionen über lange Zeit speichert und wie gleichmäßig dieses Reservoir verteilt ist. Ein Eisbohrkern kann diese Frage wie ein Zeitarchiv beleuchten, weil seine Schichten den Eintrag über Zehntausende Jahre bewahren.
Forscher des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) um Dr. Dominik Koll haben deshalb 295 Kilogramm Eis aus dem Bohrkern des Europäischen Eisbohrprojekts EPICA in Dronning Maud Land analysiert. Die untersuchten Schichten stammen aus der Zeit vor etwa 40.000 bis 81.000 Jahren. Das Material wurde an der Kohnen-Station in der Antarktis gewonnen, also an demselben Ort, aus dessen Umgebung bereits jüngerer Schnee auf Eisen-60 untersucht worden war.
Für die extrem seltenen Atome nutzte das Team Beschleuniger-Massenspektrometrie. Beryllium-10 und Aluminium-26 dienten dabei als Kontrolle, ob während Lagerung, Schmelzen und Aufbereitung radioaktive Atome verloren gegangen waren. Das Verhältnis von Eisen-60 zu Mangan-53 half anschließend zu unterscheiden, welcher Anteil durch kosmische Strahlung in Staubteilchen entstehen kann und welcher Überschuss auf einen interstellaren Ursprung hinweist.
„Es ist, als suche man eine Nadel in 50.000 bis zum Dach mit Heu gefüllten Fußballstadien. Die Maschine findet die Nadel in einer Stunde“, erklärt Annabel Rolofs von der Universität Bonn.
Die Messungen ergaben für den Zeitraum vor 40.000 bis 81.000 Jahren einen mittleren Eisen-60-Eintrag von 0,22 Atomen pro Quadratzentimeter und Jahr, mit einer Unsicherheit von plus 0,14 und minus 0,12. Das liegt deutlich unter dem Wert von 1,2 Atomen pro Quadratzentimeter und Jahr, den jüngerer antarktischer Schnee liefert. Auch Tiefseesedimente aus den vergangenen rund 33.000 Jahren zeigen mit 3,5 Atomen pro Quadratzentimeter und Jahr einen höheren mittleren Eintrag.
„Stattdessen fanden wir weniger. Nicht null, aber deutlich weniger als erwartet“, schreibt Koll.
Das interstellare Signal selbst beruht auf nur sieben passenden Detektorereignissen, während in der Hintergrundmessung keines registriert wurde. Das gemessene Verhältnis von Eisen-60 zu Mangan-53 lag 1,4 Standardabweichungen über dem für typische Meteoriten erwarteten kosmogenen Wert. Zusammen mit den Vergleichsmessungen wertet das Team den Überschuss als Hinweis auf interstellares Eisen-60.
Der Unterschied lässt sich nicht einfach damit erklären, dass das alte Eis an einem anderen Ort entstanden ist. Der ältere Bohrkern und die jüngeren Schneefunde stammen aus derselben Region. Damit wird wahrscheinlicher, dass sich entweder die interstellare Umgebung des Sonnensystems verändert hat oder die Lokale Interstellare Wolke selbst erhebliche Dichteunterschiede bei eisenhaltigem Staub besitzt.