SUPERNOVAE
Spuren auf dem Grund der Tiefsee
Redaktion / idw / Pressemitteilung der TU Berlin
astronews.com
28. Dezember 2018

Durch die Analyse von Sedimentproben aus der Tiefsee kann die Wissenschaft einiges über das explosive Ende massereicher Sterne erfahren, die einmal in relativer Nähe unseres Sonnensystems existiert haben müssen. Nachdem entsprechende Untersuchungen bereits mit einem Eisenisotop durchgeführt wurden, betrachtete ein Team nun auch ein spezielles Aluminiumisotop.

Findet eine Sternexplosion in der Nähe unseres Sonnensystems (unten rechts) statt, werden strahlende Isotope freigesetzt, die sich auch auf unserer Erde ablagern. (Prinzipskizze) Bild: NASA/ESA, Sankrit / Blair / Feige (CC BY 3.0) [Großansicht]

Wenn ein massereicher Stern am Ende seines Lebens als sogenannte Supernova explodiert, produziert er unter anderem das langlebige Radionuklid ⁶⁰Fe, das sich auf unserer Erde ablagert – falls die Supernova in der Nähe stattfindet. Das hat ein internationales Team von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern unter Beteiligung der Technischen Universität Berlin vor wenigen Jahren nachgewiesen.

Nun konnten sie durch genaue Messungen eines weiteren Radionuklids, des Aluminiumisotops ²⁶Al, noch einen Schritt weitergehen. Wie das Eisenisotop wurde auch ²⁶Al in Tiefseesedimenten gemessen. Über die Kombination dieser zwei Isotope konnte erstmals gezeigt werden, dass Supernovae der Vergangenheit nicht nur auf der Erde nachgewiesen werden können, sondern damit auch Vorhersagen zu den Abläufen in sterbenden Sternen möglich sind.

Aus astronomischen Beobachtungen weiß man, dass die langlebigen Radionuklide ²⁶Al und ⁶⁰Fe überall in unserer Galaxie verteilt sind. Hauptsächlich befinden sie sich aber dort, wo sich viele Sternexplosionen ereignen. Denn beide Radionuklide werden am Ende eines Sternenlebens produziert. Wenn der Stern schließlich in einer Supernova explodiert, schleudert er diese Isotope in das umliegende interstellare Medium, dem Gas und Staub zwischen den Sternen. Dort zerfallen sie entsprechend ihrer Halbwertzeit: die Hälfte aller ²⁶Al-Atome ist nach 0,7 Millionen Jahren, die Hälfte aller ⁶⁰Fe-Atome nach 2,6 Millionen Jahren zerfallen. Dabei senden sie Strahlung aus, die man mit Weltraumdetektoren beobachten kann.

Doch woher weiß man, dass bestimmte auf der Erde gefundene Radionuklide aus den Explosionen von Sternen stammen? Bei dem Eisenisotop ist der Nachweis einfacher. ⁶⁰Fe kommt natürlicherweise auf der Erde nicht vor, so dass sein Vorkommen eindeutig auf eine extraterrestrische Herkunft verweist. Das ²⁶Al wird dagegen kontinuierlich in unserer Erdatmosphäre gebildet. Kosmische Strahlung interagiert mit Atomen unserer Atmosphäre, zertrümmert diese, und zurück bleiben Bruchstücke, wie das ²⁶Al.

Dass das 2016 gefundene und untersuchte Eisenisotop ⁶⁰Fe aus einer etwa zwei bis drei Millionen Jahre zurückliegenden Supernova in der Nähe der Erde stammt, wiesen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler damals unter anderem durch Messungen von Tiefseesedimenten aus dem Indischen Ozean nach. Diese Sedimente lagern sich nur sehr langsam ab und sind daher wie ein zeitliches Archiv zu lesen.

Die gleichen Sediment-Archive, in denen sich auch die erwähnten ²⁶Al Bruchstücke absetzten, gaben nun dem Team um Dr. Jenny Feige vom Zentrum für Astronomie und Astrophysik der TU Berlin nach aufwendigen Untersuchungen auch Aufschluss darüber, in welchem Verhältnis das ²⁶Al zum vorher gemessenen ⁶⁰Fe in explodierenden Sternen ausgeworfen werden kann. An den Untersuchungen waren Wissenschaftler aus Australien, Deutschland, Österreich und Südafrika beteiligt.

Dieses Ergebnis ist ein Beispiel für den Erfolg enger nationaler und internationaler Zusammenarbeit. Feige extrahierte das ²⁶Al mit chemischen Methoden in den Laboren des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf. Anschließend konnte es an der Universität Wien mit der Beschleunigermassenspektrometrie vermessen werden. Mit dieser Methode können extrem niedrige Isotopenkonzentrationen bestimmt werden. Bei dem Isotop ²⁶Al ist das der Fall: Unter Hundert Billionen (100.000.000.000.000) stabiler Aluminiumisotope auf der Erde befindet sich nur ein einziges ²⁶Al-Atom. Alle gemessenen Atome konnten den atmosphärischen ²⁶Al-Bruchstücken, nicht aber einer nahen Supernova zugeordnet werden.

Ein weiteres Problem, das sich den Forschenden stellt, ist die Tatsache, dass es zwischen der ausgestoßenen ²⁶Al-Menge und der Menge, die tatsächlich in den Tiefseesedimenten ankommt, einen großen Unterschied gibt. Nicht quantifizierbare Verluste treten auf, weil zum Beispiel Teilchen durch Magnetfelder und Sonnenwind von ihrer Bahn abgelenkt werden oder die Wasserbewegungen auf der Erde die Einbaurate von ²⁶Al ins Tiefseesediment beeinflussen.

Das Wissenschaftlerteam setzte deshalb das in dem atmosphärischen ²⁶Al verborgene Supernova-produzierte ²⁶Al ins Verhältnis mit dem vorher gemessenen ⁶⁰Fe, unter der Annahme, dass sich beide während des Transports zwischen Sternexplosion und Sediment gleich verhalten. Denn dann bleibt auch das Verhältnis zwischen ⁶⁰Fe und ²⁶Al unverändert. Dieses Verhältnis wurde mit den computergenerierten Simulationen von der Synthese der beiden Radionuklide in massereichen Sternen verglichen.

Die meisten Modellergebnisse, so stellte sich heraus, sind mit den Ergebnissen aus der Tiefsee vereinbar. Durch diese Kombination konnten nun erstmals experimentell die Nukleosynthese-Prozesse bestätigt werden, die in massereichen Sternen ablaufen und die die langlebigen Radionuklide ²⁶Al und ⁶⁰Fe produzieren.

Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.