Eisen im Eis

Unser Sonnensystem durchquert derzeit die Lokale Interstellare Wolke, eine Region aus stark verdünntem Gas und Staub zwischen den Sternen. Dabei sammelt die Erde ständig Eisen-60 auf, ein seltenes radioaktives Isotop des Eisens, das bei Supernovaexplosionen entsteht. Das hat ein internationales Forschungsteam unter Leitung des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) mit der Analyse von Zehntausenden Jahre altem antarktischem Eis nun bestätigt. Aus dem stetigen, aber zeitlich schwankenden Eintrag schließen die Forschenden, dass das radioaktive Isotop seit einer längst vergangenen Sternexplosion in der Wolke gespeichert ist.

Weg des Sonnensystems (Pfeil) durch die Lokale Interstellare Wolke. Das Profil der Wolke findet sich als interstellarer Fingerabdruck im antarktischen Eis (r.) wieder

Quelle: B. Schröder, HZDR / NASA, GSFC / Adler P / U Chicago / Wesleyan U

Eisen-60 entsteht im Inneren von massereichen Sternen und wird bei deren Explosion ins All geschleudert. Geologische Archive zeigen, dass unser Sonnensystem vor Millionen von Jahren zweimal von Eisen-60-Atomen aus Supernovae getroffen wurde. In jüngerer Zeit gab es jedoch keine nahegelegenen Sternexplosionen – und damit auch keinen direkten Nachschub an ⁶⁰Fe. Als Forschende es vor einigen Jahren auch in weniger als zwanzig Jahre altem Oberflächenschnee der Antarktis entdeckten, stellte sich die Frage nach dessen Ursprung.

„Unsere Idee war, dass die Lokale Interstellare Wolke Eisen-60 enthält und über längere Zeiträume bis heute speichern kann. Während das Sonnensystem die Wolke durchquert, könnte die Erde dieses Material aufnehmen. Belegen konnten wir das damals allerdings nicht“, erklärt Dominik Koll vom HZDR-Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung.

In den letzten Jahren analysierte das Team um Koll und Anton Wallner weitere Proben, darunter bis zu 30.000 Jahre alte Tiefsee-Sedimente. Auch dort fanden sie Eisen-60, doch konkurrierende Theorien blieben. Die jetzigen Proben aus dem antarktischen Eis reichen 40.000 bis 80.000 Jahre zurück. Mit ihrer Analyse steht nun fest: Nur die Lokale Interstellare Wolke kommt als Quelle in Frage. „Das bedeutet, dass die Wolken um das Sonnensystem herum mit einer Sternexplosion zusammenhängen. Und das gibt uns das erste Mal die Möglichkeit, dem Ursprung dieser Wolken auf den Grund zu gehen“, sagt Koll.

Unser Sonnensystem trat vor mehreren zehntausend Jahren in die Lokale Interstellare Wolke aus Gas und Staub ein und wird sie in einigen tausend Jahren wieder verlassen. Derzeit befinden wir uns an deren Rand.

Für ihre Untersuchungen analysierten die Forschenden einen Eisbohrkern aus der Zeit rund um den vermuteten Eintritt in die Wolke. Das Alfred-Wege­ner-Insti­tut Helm­holtz-Zen­trum für Polar- und Meeresforschung (AWI) stellte dafür eine Probe aus dem Europäischen Eisbohrprojekt EPICA bereit. Der Vergleich des Eisen-60-Gehalts mit früheren Tiefsee- und Schneeproben zeigte: Vor 40.000 bis 80.000 Jahren erreichte weniger Eisen-60 die Erde als heute und in der noch jüngeren Vergangenheit. „Das deutet darauf hin, dass wir uns zuvor in einem Medium mit weniger Eisen-60 befanden oder dass die Wolke selbst starke Dichteunterschiede aufweist“, erläutert Koll.

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Das Eisen-60-Signal verändert sich also innerhalb weniger Zehntausend Jahre – auf kosmischen Zeitskalen ist das bemerkenswert schnell. Mit diesem Wissen konnten die Forschenden alternative Erklärungen für die Quelle des Eisen-60-Eintrags ausschließen, etwa ein Abklingen Millionen Jahre alter Sternexplosionen.

Für die endgültige Messung nutzte das Team die HIAF-Anlage (Heavy Ion Accelerator Facility) an der Australian National University – derzeit die weltweit einzige Einrichtung, die winzige Mengen an Eisen-60 nachweisen kann. Mithilfe elektrischer und magnetischer Filter sortierten sie unerwünschte Atome in Abhängigkeit von ihrer Masse aus, bis nur noch eine Handvoll Eisen-60-Atome von ursprünglich 10 Trillionen anderen Atomen zum Nachweis übrigblieb.

„Das ist, als würde man eine Nadel in 50.000 Fußballstadien suchen, die bis zur Decke mit Heu gefüllt sind. Die Maschine findet die Nadel in einer Stunde“, erklärt Annabel Rolofs von der Universität Bonn. „In langjähriger Zusammenarbeit mit internationalen Kollegen und Kolleginnen konnten wir eine extrem empfindliche Methode entwickeln, die uns nun erlaubt, diese eindeutige Signatur Jahrmillionen zurückliegender kosmischer Explosionen auch heute noch in geologischen Archiven nachzuweisen“, fasst Wallner die neuesten Erkenntnisse zusammen.

Das Team plant somit bereits weitere Messungen. Ziel ist es, einen noch älteren Eisbohrkern zu analysieren, der aus der Zeit vor dem Eintritt in die Lokale Interstellare Wolke stammt. Das AWI ist ein zentraler Partner im Projekt Beyond EPICA-Oldest Ice, in dem entsprechend alte Eiskerne genommen werden. [HZDR / dre]