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CASSINI
Interstellarer Staub im Saturnsystem
Redaktion / idw / Pressemitteilung der Universität Heidelberg
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18. April 2016

Unter den unzähligen Staubpartikeln, die die Saturnsonde Cassini im Verlauf ihrer Mission mit dem Cosmic Dust Analyser untersucht hat, befanden sich auch 36 Partikel, die offenbar nicht aus unserem Sonnensystem stammen. Sie wiesen eine überraschend einheitliche Zusammensetzung auf und enthielten praktisch alle Elemente, die es im Kosmos gibt.

Cassini

Die Saturnsonde Cassini hat unter den Millionen von Staubteilchen auch Partikel aufgespürt, die von außerhalb des Sonnensystems stammen. Bild: NASA/JPL-Caltech [Großansicht]

Ein in Heidelberg konstruierter Staubdetektor auf der Raumsonde Cassini – der Cosmic Dust Analyser (CDA) – hat mehrere extrem kleine und sehr seltene Partikel interstellaren Staubs aus dem Raum außerhalb unseres Sonnensystems identifiziert und deren chemische Zusammensetzung gemessen. Dabei hat sich zur Überraschung der Forscher gezeigt, dass die unterschiedlichen Staubteilchen sehr ähnlich zusammengesetzt sind und den gesamten Elementmix des Kosmos in sich versammeln.

Die Experten vermuten daher, dass der Staub in der "Hexenküche" des Weltraums fortlaufend zerstört, neugebildet und damit in seiner Zusammensetzung angeglichen wird. An den Untersuchungen eines internationalen Forscherteams waren Wissenschaftler des Instituts für Geowissenschaften und des Klaus-Tschira-Labors für Kosmochemie der Universität Heidelberg maßgeblich beteiligt.

"Interstellarer Staub, dessen einzelne Teilchen nur etwa 200 Nanometer groß und sehr schwer zu finden sind, ist gewissermaßen eine der letzten Bastionen des Unbekannten im Weltraum", erklärt der Heidelberger Geowissenschaftler Prof. Dr. Mario Trieloff. Der Staub ist dabei Teil der interstellaren Materie, die neben schweren Elementen im Wesentlichen aus Wasserstoffgas und Helium besteht und aus der durch Verdichtungsprozesse Sterne und Planeten entstehen können. Diese Teilchen bildeten auch das Rohmaterial für die schweren Elemente, die das Haupt-Baumaterial der Erde und anderer terrestrischer Planeten waren.

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Für Untersuchungen des interstellaren Staubs ist die Wissenschaft bisher darauf angewiesen, dass Teilchen davon in unser Sonnensystem gelangen. Die Raumsonde Stardust konnte bereits Partikel des sehr schwachen Stroms einfangen, der durch unser Sonnensystem zieht. "Diese Teilchen waren allerdings ungewöhnlich groß. Daher sind die Untersuchungsergebnisse daraus möglicherweise nicht repräsentativ", erläutert Trieloff.

Dagegen konnte Cassini unter Millionen planetarer Staubpartikel 36 Partikel interstellaren Staubs identifizieren. Zudem ist der CDA in der Lage, diese mit Hilfe von Massenspektrometrie direkt vor Ort zu untersuchen, was deutlich präzisere Ergebnisse als bisher ermöglicht. Nach Angaben von Dr. Frank Postberg, Heisenberg-Stipendiat am Institut für Geowissenschaften, konnten mit dem CDA zum ersten Mal massenspektrometrische Messungen an "einer statistisch bedeutsamen Menge solcher Staubpartikel" durchgeführt werden.

Dies war nur möglich, nachdem in Heidelberg mit Hilfe aufwendiger Versuchsreihen Labormodelle des Staubdetektors kalibriert wurden. Dazu musste sogenannter Silikatstaub im Labor auf bis zu 40 Kilometer pro Sekunde beschleunigt werden, was in etwa der Geschwindigkeit interstellaren Staubs entspricht. "Das Ergebnis der Messungen war sehr überraschend", berichtet Postberg. "Die 36 Partikel interstellaren Ursprungs, die in ihrer Zusammensetzung sehr ähnlich sind, enthalten eine Mischung der wichtigen gesteinsbildenden Elemente Magnesium, Eisen, Silicium und Calcium in durchschnittlichen kosmischen Häufigkeiten. Obwohl ein Staubteilchen weniger als ein Billionstel Gramm Masse besitzt, ist darin mit Ausnahme sehr flüchtiger Gase der gesamte Elementmix des Kosmos versammelt. Solche Teilchen lassen sich in unserem Sonnensystem nicht finden."

Die meisten Wissenschaftler hätten verschieden zusammengesetzte Staubpopulationen erwartet, die den verschiedenen Entstehungsprozessen in Atmosphären sterbender Sterne entsprechen. Sie finden sich auch im Sternenstaub in Meteoriten, der in seiner Isotopenzusammensetzung höchst individuell ist. "Unsere Daten erzählen aber eine völlig andere Geschichte", betont Postberg.

Nach Einschätzung der Wissenschaftler hat der Staub seine Individualität verloren, weil er in der "Hexenküche" des Weltraums homogenisiert wurde. Dort befinden sich riesige, Millionen Grad heiße Blasen von Supernova-Explosionen. Deren Ränder bestehen aus Stoßfronten, die mit Hunderten Kilometern pro Sekunde expandieren, wie ESA-Wissenschaftler Dr. Nicolas Altobelli erläutert. Nach seinen Worten haben theoretische Überlegungen bereits nahegelegt, dass interstellarer Staub diese energiereiche Umgebung nur ein paar hundert Millionen Jahre überleben kann und es nur einigen "Lucky Survivors" gelingt, als intakter Sternenstaub in sich neu bildende Planetensysteme zu gelangen.

Die aktuellen Untersuchungsergebnisse bestätigten nun, dass die meisten Partikel zerstört und in kühlen und dichten Regionen des Weltalls – den Molekülwolken – wieder neu gebildet werden. Von dort aus bringen interstellare Winde diese Teilchen als homogenisierten Staub in unser Sonnensystem.

Über ihre Untersuchungen berichten die Wissenschaftler in einem Fachartikel, der in der Zeitschrift Science erschienen ist.

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siehe auch
Cassini: Saturn empfing Cassini mit Teilchenbombardement - 25. Januar 2005
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