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ELEMENTENTSTEHUNG
Supernova-Forschung am Meeresboden
Redaktion / idw / Pressemitteilung der Universität Wien
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29. Januar 2015

Durch die Untersuchung von kosmischem Staub auf dem Grund des Pazifischen Ozeans gelangten Forscher nun zu überraschenden Erkenntnissen über die Erzeugung schwerer Elemente durch Supernova-Explosionen. Offenbar waren zumindest in den vergangenen paar hundert Millionen Jahren eher exotische Explosionen für deren Bildung verantwortlich.

Krebsnebel

Der Krebsnebel in einer Aufnahme des Weltraumteleskops Hubble. Er entstand durch eine Supernova.  Bild: NASA, ESA und Allison Loll / Jeff Hester (Arizona State University) / Davide De Martin (ESA/Hubble)

Am Ende der Lebenszeit eines massereichen Sterns steht die Supernova. Bei diesem Prozess zerstört sich der Stern selbst und leuchtet dabei kurzzeitig so hell wie eine ganze Galaxie, erzeugt aber auch die schwereren chemischen Elemente wie Silber, Zinn, oder Iod. "Winzige Überbleibsel von diesen entfernten Explosionen werden von der Erde auf ihrem Weg durch die Milchstraße eingefangen", erklärt Anton Wallner, der die Messungen an der Fakultät für Physik der Universität Wien geleitet hat und jetzt als Gruppenleiter an der australischen Nationaluniversität in Canberra forscht. Ein internationales Forscherteam hat nun solchen interstellaren Staub analysiert und dabei einen wichtigen Baustein für das Verständnis der Elemententstehung entdeckt.

"Wir haben galaktischen Staub untersucht, der sich während der letzten 25 Millionen Jahre am Meeresboden abgesetzt hat. Überraschend war, dass wir von besonders schweren und seltenen Elementen wie zum Beispiel Plutonium viel weniger fanden, als wir erwartet haben", erklärt Wallner.

Diese Ergebnisse widersprechen Theorien, dass diese schweren Elemente am Ende des Lebens eines massereichen Sterns in Supernova-Explosionen gebildet und dann im interstellaren Raum verteilt werden. Solche Explosionen sind auf kosmischen Zeitskalen ziemlich häufig. Supernova-Explosionen produzieren beispielsweise auch Blei, Gold und Quecksilber. Diese Elemente sind auf der Erde jedoch reichlich vorhanden und eignen sich daher nicht als Erkennungszeichen für kosmischen Staub.

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Das Team untersuchte Tiefseesedimente, darunter auch eine zehn Zentimeter dicke Eisen-Mangan-Kruste aus 5.000 Metern Tiefe. Diese über 25 Millionen Jahre alten Ablagerungen enthielten neben Spurenelementen aus dem Ozean auch interstellare Partikel. "Mittels Messungen an unserer Beschleunigeranlange Vienna Environmental Research Accelerator - kurz VERA genannt - gelang es, die wenigen Plutoniumatome mit einer Sensitivität nachzuweisen, die etwa ein Salzkorn aus der Wassermenge von 20 Bodenseen herausfiltern könnte", erklärt Peter Steier, Isotopenforscher an der Universität Wien, die sprichwörtliche Suche im Heuhaufen. VERA ist eine der weltweit sensitivsten Anlagen um winzigste Spuren von seltenen Elementen in unserer Umwelt nachzuweisen.

Die Wissenschaftler suchten nach Spuren von Plutonium-244, ein radioaktives Isotop, das nicht natürlich auf der Erde vorkommt. Plutonium-244 zerfällt mit einer Halbwertszeit von 81 Millionen Jahren und kann somit als kosmische Uhr dienen und kann auch etwas über die Entstehung von Elementen verraten. "Plutonium-244, das zu der Zeit existierte, als sich die Erde und unser Sonnensystem vor über vier Milliarden Jahren bildeten, ist in der langen Zeit seither zerfallen", erläutert Kernphysiker Wallner. Findet man es trotzdem, so muss es aus kosmischen Explosionen jüngerer Zeit stammen, genauer aus den letzten paar hundert Millionen Jahren. Anschließend muss es dann in die Tiefseesedimente eingelagert worden sein, die als "natürliche Archive" dienen.

"Es scheint also, dass zumindest während der letzten paar hundert Millionen Jahre die schwersten Elemente in der Tat nicht in 'normalen' Supernovae gebildet wurden", erklärt Wallner. Die Ergebnisse favorisieren nun sehr seltene kosmische Explosionen, möglicherweise die Verschmelzung von zwei Neutronensternen, als Entstehungsort des chemischen Elements. Diese Ereignisse, obwohl hundert bis tausend Mal seltener, können durch ihre gewaltige Detonation ebenfalls alle schweren Elemente im beobachteten Ausmaß produzieren.

Schwere Elemente, wie Plutonium-244, waren bei der Bildung des Sonnensystems vorhanden. Dies konnte durch stabile Xenon-Isotope, die bei der Spontanspaltung von Plutonium-244 entstehen, in Meteoriten nachgewiesen werden. Thorium und Uran gibt es aufgrund ihrer deutlich längeren Halbwertszeit immer noch, daher muss eine derartige, offenbar sehr seltene, Explosion zeitnah zur Entstehung des Sonnensystems stattgefunden haben. Natürliche radioaktive Elemente wie Uran und Thorium erzeugen einen Großteil der Wärme im Erdinneren. Diese ist ein wesentlicher Antrieb für Vulkanismus und die Bewegung der Kontinente.

Die Ergebnisse der Untersuchung sind kürzlich in der Fachzeitschrift Nature Communications erschienen.

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siehe auch
Elemententstehung: Der Ursprung von Silber im Kosmos - 6. September 2012
Elemententstehung: Neutronensterne als Elementschmiede - 8. September 2011
Supernovae: Neuer Prozess bei Elemententstehung entdeckt - 4. Mai 2006
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