Staubteilchen vom Rand des Sonnensystems

Bürgerwissen­schaftlerinnen und -wissenschaftler können Mikrometeorite auf ihren Hausdächern sammeln und mit einiger Übung in einem Licht­mikroskop identifizieren. Die erfahrensten von ihnen haben nun zusammen mit Forschenden von der TU Berlin und dem Museum für Naturkunde in Berlin sowie weiteren inter­nationalen Kollegen die Entstehungsorte von zwei Mikrometeoriten im Sonnensystem mit hoher Wahrschein­lichkeit aufklären können. Beide befanden sich in Staub, der auf dem Dach des Eugene-Paul-Wigner-Physikgebäudes der TU Berlin eingesammelt wurde. Erstmalig zum Einsatz kam bei dieser Studie eine Computer­simulation, die eine Vielzahl von möglichen Umlaufbahnen, Partikel­eigenschaften und den Einfluss der kosmischen Strahlung auf die Mikrometeorite berücksichtigt. Die Daten aus dieser Computersimulation wurden dann mit Messungen der Mikro­meteorite im Teilchen­beschleuniger Vera der Universität Wien verglichen, um ihren Ursprungsort zu ermitteln.

Scott Peterson ist Veteran der US-Army, studiert Chemietechnik in Minneapolis und ist er einer der versiertesten Sammler von Mikro­meteoriten weltweit. Diese Community wächst ständig, seit der norwegische Jazzmusiker und Bürger­wissenschaftler Jon Larsen 2015 zusammen mit dem Imperial College in London erstmalig nachweisen konnte, dass Mikrometeorite nicht nur in entlegenen Gegenden wie dem Grund der Ozeane oder dem Eis der Antarktis vorkommen, sondern auch auf unseren Hausdächern. „Wir hatten Scott gebeten, einen Blick auf unsere Proben zu werfen, denn er hat einfach das beste Auge bei der Identifizierung von Mikrometeoriten unter dem Mikroskop“, erzählt Jenny Feige, die mit einem ERC-Starting-Grant des Europäischen Forschungsrates kosmischen Staub erforscht. Zunächst am Zentrum für Astronomie und Astrophysik (ZAA) der TU Berlin, heute am Museum für Naturkunde Berlin, wo auch weitere Projekte zu Mikrometeoriten zusammen mit Bürger­wissenschaftler*innen durchgeführt werden. 

Vor der Konsultation von Scott Peterson waren Forschende der TU Berlin auf das Dach des dortigen Physik­gebäudes mit der Teleskopkuppel gestiegen, hatten die Ablagerungen aus den Ecken zusammengefegt und eingesammelt. „Das ganze wird aufgeschwemmt in Wasser, um kleinste Blätter und ähnliches loszuwerden. Danach heizen wir das Sediment auf 600 Grad auf, um Mikroben und anderes organisches Material restlos zu zerstören. Anschließend wird das Material noch gesiebt, dann geht die Suche nach den Mikro­meteoriten los“, sagt Feige. In der Probe befanden sich unzählige 100 bis 500 Mikrometer große Kügelchen, von denen die allermeisten aus menschen­gemachten Quellen stammen wie Schweiß­arbeiten, Feuerwerk oder einfach Metallabrieb vom Straßenverkehr. In der allerletzten Teilprobe fand Scott Peterson dann tatsächlich zwei Mikro­meteorite, die durch charakteristische Strukturen jeweils einer bestimmten Klasse zugeordnet werden konnten. 

Diese Strukturen entstehen, wenn kosmische Staubpartikel in die Erdatmosphäre rasen und durch die Reibung an den Luftteilchen abgebremst und stark erhitzt werden, bis sie schmelzen. Nachdem sie dabei durch­schnittlich neunzig Prozent ihrer Masse verloren haben, kristallisiert der Rest beim Abkühlen je nach Eintrittswinkel und Geschwindigkeit in der Atmosphäre, Beschaffenheit und Umgebungs­bedingungen unterschiedlich aus. So besitzt der eine Mikrometeorit durch bestimmte Kristallisations­prozesse ein Muster, das einem Schildkrötenpanzer ähnlich ist. Beim anderen hatten sich in der Phase des Aufschmelzens die Elemente Nickel und Eisen vom Rest getrennt und sind dann beim Abkühlen zu einem extra Kügelchen am Mikro­meteorit erstarrt. „Aus dieser Nase kann man sogar schließen, wie er in die Atomsphäre eingedrungen ist, nämlich mit dem Kügelchen voran“, erzählt Feige.

„Es ist immer noch eine große Heraus­forderung für die Wissenschaft, etwas über den Entstehungsort der auf der Erde gefundenen Mikrometeorite heraus­zubekommen“, sagt Beate Patzer, theoretische Astrophysikerin am ZAA der TU Berlin. „Dies wäre aber sehr wünschenswert, denn Mikro­meteorite können aus sehr unterschiedlichen Bereichen unseres Sonnen­systems mit sehr verschiedenen Bedingungen stammen. Ungefähr einhundert Tonnen überwiegend inter­planetaren Staubes fängt die Erde pro Tag ein. Mikrometeorite sind damit wesentlich häufiger als größere Meteorite, wir könnten also aus ihnen viel mehr Daten generieren und eine Menge über unser Sonnensystem lernen.“

Eine Methode zur Bestimmung der Herkunft eines Mikrometeoriten ist die Analyse von langlebigen, radioaktiven Isotopen, die sich auf seinem Weg im Weltall durch Bestrahlung mit der im Kosmos allgegen­wärtigen kosmischen Strahlung gebildet haben. „Anhand des Verhältnisses von unterschiedlichen Isotopen mit verschiedenen Halbwertszeiten und einem physikalischen Modell, das die Bildung dieser Isotope beschreibt, kann man auf die Flugzeit der extra­terrestrischen Staubteilchen bis zur Erde schließen – und damit auf ihren Herkunftsort im Sonnen­system“, so Patzer.

„Erstmalig haben wir für diese Analyse eine aufwendige Computer­simulation erstellt, die mögliche Umlaufbahnen der inter­planetaren Staubteilchen, die Größe der Staubkörner, ihre Zusammen­setzung und Dichte, Strahlungs­profile der Sonne und der kosmischen Strahlung aus dem inter­stellaren Raum, Verdampfungs­raten während des Eintritts in die Erdatmosphäre und noch eine Vielzahl anderer Parameter berück­sichtigt“, sagt Jenny Feige. Fokussiert haben sich die Forschenden dabei auf die radio­aktiven Isotope Aluminium-26 und Berylllium-10. Um die sehr geringen Mengen der Isotope in den winzigen Mikro­meteoriten messen zu können, hat das Forschungsteam mit der Teilchen­beschleuniger-Anlage Vera in Wien zusammen­gearbeitet. Bei der dort durchgeführten Massen­spektrometrie werden die chemischen Elemente nicht nur nach ihrer Masse, sondern auch nach der Anzahl der Protonen im Kern sortiert – was erst eine eindeutige Identifizierung der Isotope ermöglicht.

Die Konzentrationen von Aluminium-26 und Berylllium-10 in den Mikro­meteoriten wurden dann mit den Ergebnissen der Computer­simulation verglichen, die die Anreicherung dieser Radioisotope in den Mikro­meteoriten je nach Flugzeit und damit Herkunftsort im All vorhersagt. Dabei blieb der Ursprung von sechs an anderen Orten gesammelten Mikro­meteoriten uneindeutig; sechs weitere Mikro­meteorite konnten aber mit großer Wahrschein­lichkeit einem Ursprungsort zugeordnet werden, darunter die beiden auf dem Dach der TU Berlin gefundenen: Der Mikro­meteorit mit dem Schildkrötenmuster entstammt dem äußeren Sonnensystem und könnte sich aus Kometen, die am Jupiter vorbeiziehen, oder Gesteinsmaterial im Kuiper­gürtel abgetrennt haben. Der Mikrometeorit mit der Nase stammt dagegen aus dem inneren Sonnensystem, von erdnahen Objekten oder solchen bis hin zum Asteroiden­gürtel zwischen Mars und Jupiter.

„Mit diesem Ergebnis konnten wir die grundsätzliche Eignung unserer Methode zeigen“, sagt Jenny Feige. Sie werde es in Zukunft ermöglichen, noch mehr über den Kosmos mit Hilfe der Mikro­meteoriten zu lernen. „Gerade die auf unseren Hausdächern sind dabei besonders wertvoll, denn hier kennen wir ihre Aufenthalts­zeit auf der Erde sehr präzise: Sie kann nicht älter als das Dach selbst sein. Bei Funden aus der Tiefsee oder der Antarktis dagegen könnten die Mikro­meteoriten auch schon Millionen Jahre dort liegen, was die Ergebnisse unsicherer macht.“

TU Berlin / JOL