Forscher des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) wiesen durch Analysen von antarktischem Eis nach, dass die Erde und das Sonnensystem derzeit eine interstellare Wolke aus Überresten einer Supernova durchqueren. Der Fund des seltenen Isotops Eisen-60 belegt, dass Sternenstaub seit etwa 40.000 Jahren auf die Erde rieselt.
Die Erde bewegt sich durch den Weltraum nicht in einem Vakuum, sondern durch ein Medium aus Gas und Staub. Aktuelle Untersuchungen eines internationalen Teams unter der Leitung der Dresdner Wissenschaftler Dominik Knoll und Anton Wallner zeigen, dass das Sonnensystem momentan eine gewaltige interstellare Wolke durchquert. Diese Wolke besteht aus den Überresten einer Sternexplosion, einer sogenannten Supernova.
Die Ergebnisse dieser Forschung wurden im Fachblatt Physical Review Letters
veröffentlicht. Die Grundlage für die Erkenntnisse bildet die Analyse von Eisbohrkernen aus der Antarktis. In diesen Eisschichten konnten die Forscher Spuren von Eisen-60 nachweisen, einem Isotop, das unter natürlichen Bedingungen auf der Erde kaum vorkommt, aber charakteristisch für die Endphase massereicher Sterne ist.
Eisen-60 als interstellarer Fingerabdruck
Um die Herkunft des Staubs zu bestimmen, konzentrierte sich das Team vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) auf die spezifischen Eigenschaften des Eisens. Das auf der Erde gewöhnlich vorkommende Eisen-56 unterscheidet sich fundamental von dem gefundenen Eisen-60. Letzteres besitzt vier zusätzliche Neutronen, was es schwach radioaktiv macht.
Diese Radioaktivität ist der Schlüssel zur zeitlichen Einordnung des Ereignisses. Eisen-60 zerfällt extrem langsam mit einer Halbwertszeit von 2,6 Millionen Jahren. Da das Isotop in den Mengen, die in der Antarktis gefunden wurden, nicht durch terrestrische Prozesse entstehen kann, muss es von außen in die Atmosphäre gelangt sein. Die einzige bekannte Quelle für signifikante Mengen an Eisen-60 im interstellaren Raum sind Supernovae.
Eine Supernova markiert das Ende eines Sternenlebens. Dies geschieht entweder durch den plötzlichen Gravitationskollaps des Kerns eines massereichen Sterns oder durch eine unkontrollierte Kernfusion in einem Weißen Zwerg. Bei diesen Explosionen werden enorme Mengen an Material mit Geschwindigkeiten ausgestoßen, die mehrere Prozent der Lichtgeschwindigkeit erreichen können. Dieses Material bildet diffuse Nebel, die über Millionen von Jahren durch die Galaxis driften.
Ein Zeitfenster von 40.000 Jahren
Besonders aufschlussreich für die Astrophysiker ist nicht nur die Präsenz des Isotops, sondern der zeitliche Verlauf seines Eintrags. Die Daten aus dem antarktischen Eis belegen, dass einzelne Atome von Eisen-60 erst seit etwa 40.000 Jahren kontinuierlich auf die Erde rieseln.
Dieser Zeitraum markiert den Zeitpunkt, an dem das Sonnensystem in die Grenzregion der interstellaren Wolke eintrat. Die Tatsache, dass der Eintrag über zehntausende von Jahren anhält, deutet darauf hin, dass die Wolke eine beträchtliche Ausdehnung besitzt und das Sonnensystem sich immer noch innerhalb dieser Überreste befindet.
Die Geschwindigkeit, mit der die Erde durch diese Materie fliegt, und die Dichte der Wolke bestimmen, wie viele Atome pro Quadratzentimeter der Erdoberfläche landen. Da die Menge an Eisen-60 gering ist, handelt es sich nicht um eine unmittelbare Bedrohung für die Biosphäre, sondern um einen wissenschaftlichen Marker, der die Position und Bewegung unseres Sonnensystems in der Milchstraße präzise beschreibbar macht.
Die Dynamik interstellarer Wolken
Die Entdeckung unterstreicht die Dynamik des interstellaren Mediums. Das Sonnensystem durchquert ständig verschiedene Regionen der Galaxis, die sich in ihrer Zusammensetzung und Dichte unterscheiden. Die aktuelle Passage durch die Supernova-Überreste liefert Daten darüber, wie Materie aus Sternexplosionen im Raum verteilt wird und wie diese mit der Heliosphäre – der durch den Sonnenwind geschützten Blase unseres Sterns – interagiert.
Die Heliosphäre wirkt wie ein Schutzschild, der einen Großteil des interstellaren Staubs und der hochenergetischen Strahlung abhält. Dennoch dringen bestimmte Isotope wie Eisen-60 durch diese Barriere und lagern sich in den Eisschichten der Pole ab. Die Analyse dieser Ablagerungen ermöglicht es den Forschern, eine Art Archiv der galaktischen Geschichte zu lesen.
Die Untersuchung der Supernova-Überreste ist zudem wichtig für das Verständnis der chemischen Evolution des Universums. Da Supernovae die primären Quellen für schwere Elemente sind, ist die Durchquerung solcher Wolken ein Prozess, der über Äonen hinweg die Materialbasis für neue Sterne und Planeten liefert.
Ausblick auf weitere Analysen
Die Arbeit von Dominik Knoll und Anton Wallner eröffnet neue Wege, um die Historie des Sonnensystems zu rekonstruieren. Durch den Vergleich der Eisen-60-Konzentrationen in verschiedenen Eisschichten und eventuell in anderen geologischen Proben lässt sich die Dichte der Wolke und die exakte Flugbahn der Erde präziser bestimmen.
Offen bleibt derzeit die Frage, welcher spezifische Stern die Supernova auslöste, die diese Wolke schuf. Während die chemische Signatur den Typ der Explosion eingrenzen kann, erfordert die Identifizierung des Progenitors – des ursprünglichen Sterns – weitere astronomische Beobachtungen der Umgebung unserer galaktischen Nachbarschaft.
Für die Wissenschaft bedeutet dieser Fund, dass die Erde derzeit ein direktes Zeugnis eines gewaltigen kosmischen Ereignisses sammelt. Die Antarktis fungiert dabei als natürlicher Detektor, der Informationen speichert, die mit technischen Instrumenten im aktuellen Orbit nur schwer in dieser zeitlichen Tiefe zu erfassen wären.
