Radionuklide in Tiefseeprobe als kosmische Zeitzeugen
Plutonium-244 aus sehr lange zurückliegendem Ereignis – nahe Supernovae scheiden als Ursprung aus.
Ein Team von Forschenden aus Dresden sowie aus Sydney und Canberra hat in einer Mangankruste aus der Tiefsee seltene radioaktive Isotope nachgewiesen und damit neue Einblicke in die Entstehung der schwersten Elemente im Universum gewonnen. Die Ergebnisse zeigen: Das letzte große astrophysikalische Ereignis in der Nähe unseres Sonnensystems, das solche Elemente erzeugt haben könnte, liegt mindestens 100 Millionen Jahre zurück.
Ferromangankrusten sind mineralische Ablagerungen in Meerestiefen von hunderten bis tausenden Metern und einzigartige geologische Archive. Sie wachsen millimeterweise über Millionen von Jahren, nehmen dabei Stoffe aus ihrer Umgebung auf und speichern sie – darunter auch winzige Mengen radioaktiver Isotope, die vor langer Zeit aus dem All zu uns gelangt sind. Forschende nutzen diese Elemente als Marker vergangener kosmischer Ereignisse.
Nach einem besonders seltenen dieser Isotope – Plutonium-244 – fahndeten die Forschenden nun in einer Kruste aus den Tiefen des Pazifiks. Plutonium-244 entsteht im rapid neutron-capture process (r-Prozess), einem hochexplosiven Vorgang, bei dem Atomkerne in sehr kurzer Zeit extrem viele Neutronen nacheinander einfangen. Solche Bedingungen herrschen vermutlich bei der Verschmelzung von zwei Neutronensternen oder in besonders energiereichen Supernovae, die 1.000- bis 10.000-mal seltener sind als reguläre Sternexplosionen.
Das Forschungsteam analysierte Spuren der radioaktiven Isotope Eisen-60, Plutonium-244 und Curium-247 in der Kruste. „Eisen-60 ist ein klarer Fingerabdruck von regulären Supernovae. Daher haben wir sowohl nach Eisen-60 als auch nach Plutonium-244 gesucht und deren Spuren verglichen“, erklärt Dominik Koll vom Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung am HZDR. Der Vergleich zeigt: Im Gegensatz zum Eisen kann das Plutonium nicht aus Sternexplosionen der letzten Millionen Jahre stammen. Es muss auf ein selteneres kosmisches Ereignis zurückgehen, das mehr als 100 Millionen Jahre zurückliegt.
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Während der Eisen 60-Verlauf zwei eindeutige Signaturen erdnaher Supernova-Explosionen vor einigen Millionen Jahren zeigt, folgt Plutonium-244 einem anderen Verlauf. Es erreichte die Erde über Millionen Jahre hinweg kontinuierlich. Das spricht für einen älteren Prozess, denn nur so hätte das Isotop genügend Zeit gehabt, sich wie ein gleichmäßiger Schleier im Interstellaren Medium zu verteilen.
Den Beweis für diese Interpretation brachte der Vergleich der Plutonium-Signatur mit Curium-247. Wie Plutonium-244 entsteht Curium-247 im r-Prozess. Mit einer Halbwertszeit von etwa 15,6 Millionen anstelle von 80 Millionen Jahren zerfällt es aber deutlich schneller: Das Verhältnis der Isotope ist daher ein mächtiges Datierungswerkzeug.
Trotz höchster Messempfindlichkeit konnten die Astrophysiker:innen keinerlei Spuren kosmischen Curiums in der Tiefseekruste nachweisen. Daraus ergibt sich ein natürliches „Verfallsdatum“ für das letzte r-Prozess-Ereignis in unserer kosmischen Nachbarschaft: Es muss vor mehr als hundert Millionen Jahren stattgefunden haben.
Entscheidend dabei war: Die Forschenden konnten die Plutonium-Spuren erstmals in vielen kleinen Zeitabschnitten nachweisen. Dafür mussten sie die Probe in einzelne Schichten unterteilen, die jeweils nur wenige Plutonium-Atome enthielten. Ein Plutonium-Atom versteckt sich dann in rund zehn Trilliarden anderer Atome. Erst seit kurzem können diese winzigen Mengen detektiert werden. Für Curium-247 war es sogar die erste signifikante Messung überhaupt.
„Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Plutonium aus sehr seltenen kosmischen Explosionen stammt, wie sie etwa beim Verschmelzen zweier Neutronensterne oder sehr energiereichen Supernovae auftreten würden. Seitdem hat es sich im interstellaren Medium verteilt“, sagt Anton Wallner, Leiter der Abteilung Beschleuniger-Massenspektrometrie und Isotopenforschung am HZDR.
Die nächsten Messungen sind schon im Gange: Mondproben der NASA sollen helfen, den letzten r-Prozess genauer zu studieren: An der neuen HAMSTER-Anlage in Dresden wollen die Physiker:innen neben Plutonium und Curium zukünftig weitere seltene Radionuklide nachweisen, die neue Aufschlüsse über die Elemententstehung im Universum bringen könnten. [HZDR / dre]
Weitere Informationen
- Originalpublikation
D. Koll, S. Fichter, M. A. C. Hotchkis, et al., The timing of the last r-process event near Earth from interstellar 60Fe, 244Pu and 247Cm deposition on Earth, Nat. Astron., 15. Juni 2026; DOI: 10.1038/s41550-026-02841-6 - Beschleuniger-Massenspektrometrie und Isotopenforschung (Anton Wallner), Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung, HZDR Dresden
