10.02.2023

Asteroideneinschlag in der Diamantstempelzelle

Hochdruck-Experimente lösen altes Rätsel zur Entstehung charakteristischer Strukturen in Impaktgestein.

Zum ersten Mal haben Forscher live verfolgt, was bei einem Asteroiden­einschlag im getroffenen Material genau vor sich geht. Das Team von Falko Langenhorst von der Universität Jena und Hanns-Peter Liermann von DESY hat dazu einen Asteroiden­einschlag mit Quarz im Labor nachgestellt und quasi in Zeitlupe in einer Hochdruck­zelle ablaufen lassen. Dabei verfolgten die Forscher das Ereignis mit der Röntgen­lichtquelle PETRA III am DESY.

 

Abb.: Durch den simulierten Asteroiden­einschlag entstehen in den untersuchten...
Abb.: Durch den simulierten Asteroiden­einschlag entstehen in den untersuchten Quarz­kristallen winzige, nur einige Dutzend Nanometer breite Glas­lamellen. (Bild: F. Langenhorst / C. Otzen / U. Jena)

Die Beobachtung enthüllt einen Zwischen­zustand in dem untersuchten Quarz und löst damit ein Jahrzehnte altes Rätsel über die Entstehung charakteristischer Strukturen in dem an der Erdoberfläche allgegenwärtigen Mineral. Die Analyse hilft, Spuren vergangener Einschläge besser zu verstehen, und hat möglicherweise darüber hinaus auch Bedeutung für ganz andere Materialien.

Asteroideneinschläge sind katastrophale Ereignisse, bei denen riesige Krater entstehen können und manchmal Teile des Erdgesteins aufgeschmolzen werden. „Dennoch sind Krater erdgeschichtlich oft schwer nachzuweisen, denn durch Erosion, Verwitterung und Plattentektonik verschwinden sie im Laufe von Jahrmillionen“, erläutert Langenhorst. Daher dienen als Nachweis für einen Einschlag häufig Minerale, die durch die Wucht des Einschlags charakteristische Veränderungen erfahren. So wandelt sich der auf der Erd­oberfläche allgegenwärtige Quarzsand (Siliziumdioxid) durch solch einen Einschlag schrittweise in Glas um, wobei die Quarzkörner dann von mikroskopischen Lamellen durchzogen werden. Diese Struktur lässt sich erst unter dem Elektronen­mikroskop detailliert erkunden und ist beispielsweise in Material aus dem relativ jungen Barringer-Krater in Arizona (USA) zu finden.

„Seit mehr als sechzig Jahren dient dieses lamellenartige Glas als Indikator für einen Asteroideneinschlag, aber niemand wusste bisher, wie es überhaupt zu dieser Struktur kommt“, sagt Liermann. „Dieses Jahrzehnte alte Rätsel haben wir nun gelöst.“ Die Forscher hatten dazu jahrelang Techniken weiter­entwickelt, mit denen sich Materialien unter Hochdruck im Labor untersuchen lassen. Dazu wird die Probe in der Regel in einer Stempelzelle zwischen zwei kleinen Diamanten zusammengepresst. So lassen sich kontrolliert extreme Drücke wie im Erdinneren – oder wie bei einem Asteroiden­einschlag – erzeugen.

Für die Versuche verwendete das Team eine dynamische Diamantstempelzelle, in der sich der Druck während der Messung sehr schnell verändern lässt. Darin pressten die Forscher kleine Siliziumdioxid-Kristalle mit sehr regelmäßigem Kristall­gitter immer stärker zusammen und durchleuchteten sie währenddessen mit dem intensiven Röntgenlicht von PETRA III, um ihre innere Struktur zu erkunden. „Die Kunst ist, den simulierten Asteroiden­einschlag langsam genug ablaufen zu lassen, um ihn im Röntgenlicht verfolgen zu können, aber nicht zu langsam, so dass die für einen Asteroiden­einschlag typischen Effekte noch entstehen können“, sagt Liermann. Als richtige Zeitdauer erwiesen sich dabei Experimente im Sekunden­maßstab.

„Wir konnten beobachten, dass sich die Quarzstruktur bei einem Druck von ungefähr 180.000 Atmosphären plötzlich in eine enger gepackte Übergangsstruktur umwandelt, die wir Rosiait-artig nennen“, berichtet Erstautor Christoph Otzen, der seine Doktorarbeit über diese Untersuchungen schreibt. „In dieser Kristallstruktur schrumpft der Quarz um ein Drittel seines Volumens. Die charakteristischen Lamellen formen sich genau dort, wo der Quarz diese metastabile Phase bildet, die vor uns noch niemand in Quarz hat identifizieren können.“ Rosiait ist ein oxidisches Mineral, nach dem die auch bei anderen Materialien bekannte Kristallstruktur benannt worden ist. Es besteht nicht aus Siliziumdioxid, sondern ist ein Bleiantimonat (eine Verbindung aus Blei, Antimon und Sauerstoff).

„Je höher der Druck steigt, desto größer wird der Anteil mit Rosiait-artiger Struktur im Quarz“, erläutert Otzen. „Lässt der Druck wieder nach, wandeln sich die Rosiait-artigen Lamellen aber nicht in die ursprüngliche Struktur von Quarz zurück, sondern sie kollabieren zu Glaslamellen mit ungeordneter Struktur. Diese Lamellen sehen wir auch in Quarzkörnern aus Ablagerungen von Asteroiden­einschlägen.“ Menge und Orientierung der Lamellen lassen dabei Rückschlüsse auf den Druck beim Einschlag zu. „Seit Jahrzehnten werden solche Lamellen zum Nachweis und zur Analyse von Asteroiden­einschlägen genutzt“, betont Langenhorst. „Aber erst jetzt können wir ihre Entstehung genau erklären und verstehen.“

Für die Untersuchung haben die Forscher nicht die größten technisch möglichen Drücke verwendet. „Im Bereich der höchsten Drücke entsteht so viel Hitze, dass das Material schmilzt oder verdampft“, erläutert Langenhorst. „Aufgeschmolzenes Material, das wieder zu Gestein erstarrt, gibt uns erstmal keine nützliche Auskunft. Wichtig ist jedoch genau der Druckbereich, in dem Minerale charakteristische Veränderungen im festen Zustand durchlaufen, und genau das haben wir in diesem Fall untersucht.“

Die Ergebnisse könnten über die Erforschung von Asteroiden­einschlägen hinaus Bedeutung haben. „Was wir beobachtet haben, könnte eine Modellstudie für die Glasbildung auch ganz anderer Materialien wie beispielsweise Eis sein“, betont Langenhorst. „Eventuell ist es ein typischer Weg, dass eine Kristall­struktur sich bei schneller Kompression in einem Zwischenschritt in eine metastabilen Phase umwandelt, die dann in die ungeordnete Glasstruktur übergeht. Auch das wollen wir weiter untersuchen, denn das wäre von großer Bedeutung für die Materialforschung.“

Mit dem bei DESY geplanten Ausbau von PETRA III zum weltbesten Röntgenmikroskop PETRA IV werden solche Untersuchungen in Zukunft noch realistischer möglich sein. „Die 200mal höhere Intensität der Röntgen­strahlung wird uns erlauben, diese Experimente 200 Mal schneller ablaufen zu lassen, so dass wir einen Asteroideneinschlag noch realistischer simulieren können“, sagt Liermann.

DESY / DE

 

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