Radioaktives Eisenisotop weist auf erdnahe Sternenexplosion hin

Schon längere Zeit beschäftigt die Physiker die Frage, ob es in den vergangenen zehn Millionen Jahren Sternenexplosionen (Supernovae) in der "näheren" Umgebung unseres Sonnensystems gegeben hat und ob diese nachweisbare Spuren in der Biosphäre der Erde hinterlassen haben. Sichtbare Hinweise für diese seltenen Ereignisse sind am Himmel nur noch schwer zu finden. Die Forscher weichen daher auch auf andere "Beobachtungsorte" aus. Untersuchungen von Eisenmangan-Krusten aus dem pazifischen Ozean, die einen erstaunlich hohen Gehalt des radioaktiven Isotops ⁶⁰Fe enthalten, legen beispielsweise nahe, daß dieses Isotop tatsächlich bei der Explosion eines sterbenden Sterns entstanden ist und von der Druckwelle zur Erde getragen wurde. Klaus Knie von der Technischen Universität München wird darüber auf der Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft in Heidelberg (Di., 16.03.99, 10.30 Uhr, Hörsaal Pa3) berichten.

Der größte Teil der chemischen Elemente in der Natur hat ihren Ursprung in Sternen und Sternenexplosionen. Bei diesen Prozessen entstehen auch radioaktive Elemente. Ein besonders markantes und langlebiges Radioisotop, das fast ausschließlich in Supernovae erzeugt wird, ist ⁶⁰Fe. Bei einer Sternexplosion wird ein Großteil der Sternmasse abgesprengt und im All verstreut. Das bedeutet, daß nahe Supernovae der vergangenen zehn Millionen Jahre ihre Spuren auch auf der Erde hinterlassen haben sollten. Die Münchner Forscher um Klaus Knie haben sich aus diesem Grund daran gemacht, nach solchen Spuren zu fahnden und auf der Erde Hinweisen auf Sternenexplosionen nachzuspüren.

Schätzungen zu Folge sind diese Ereignisse aber sehr selten.
Gegenstand des Interesses der Forscher waren kleine Proben aus Eisenmangan-Krusten, gefunden im südpazifischen Ozean. Die Krusten eignen sich für die Untersuchungen, weil sie dem Meereswasser unter anderem Eisen entziehen und aus diesem Grund förmlich wachsen. Ähnlich der Baumringe geben den Forschern die verschiedenen Schichten heute Aufschluß über die jeweiligen "Umweltbedingungen" zum Zeitpunkt des Wachstums, das sich über Millionen von Jahren erstreckte. Abgesehen von solch prinzipiellen Überlegungen ging es den Wissenschaftlern aber auch direkt um das Eisen in der Probe, genauer gesagt um das Verhältnis des Eisens zu seinem radioaktiven Isotop ⁶⁰Fe. Daß die Physiker sich speziell des ⁶⁰Fe annahmen, hat mehrere wichtige Gründe. Zum einen wird ⁶⁰Fe bei Sternenexplosionen in großer Menge erzeugt. Desweiteren sind keine Prozesse auf der Erde bekannt, bei denen ⁶⁰Fe in ähnlichen Mengen hergestellt wird. Zum dritten besitzt das radioaktive Eisen-60-Isotop eine Halbwertszeit von 1,5 Millionen Jahren, das heißt, innerhalb dieser Zeitspanne verringert sich die Menge dieser Substanz durch radioaktiven Zerfall auf die Hälfte. Die vergleichsweise große Halbwertszeit macht wahrscheinlich, daß auch nach einem langen Flug über mehrere Lichtjahre eine ausreichende Menge ⁶⁰Fe, die noch nicht zerfallen ist, auf der Erde eintrifft und sich auch hier wiederum nach einer längeren Zeitspanne noch nachweisen läßt.
An den Mangan-Krusten wurden drei Schichten verschiedenen Alters untersucht und die Konzentration des Isotops ⁶⁰Fe mit höchstempfindlicher Massenspektrometrie am Münchner Tandembeschleuniger ermittelt. In der mittleren Schicht, deren Alter schätzungsweise vier bis sechs Millionen Jahre beträgt, war der Gehalt an ⁶⁰Fe deutlich höher, als bei den beiden anderen. Auch das Verhältnis von ⁶⁰Fe zu Mangan-53, das auf der Erde üblicherweise bei einigen zehntel Promille liegt, betrug in der Probe mehrere Prozent; ein weiteres Indiz für den "außerirdischen" Ursprung des ⁶⁰Fe.

Ausgehend von der Annahme, daß eine "durchschnittliche" Supernova mit der etwa 20fachen Masse unserer Sonne in etwa 100 Lichtjahren explodiert, wobei sich das freigesetzte ⁶⁰Fe mit der Druckwelle gleichmäßig in alle Richtungen verteilt, sollten auf der Erde pro Quadratzentimeter Fläche etwa zwei Milliarden Atome dieses Isotops ankommen. Bei einer Ausbreitungsgeschwindigkeit von einigen tausend Kilometern pro Sekunde wären diese Atome allerdings einige Millionen Jahre unterwegs gewesen. Aufgrund der hohen Halbwertszeit des ⁶⁰Fe überlebt ein wesentlicher Anteil der Atome die lange Reise. So regneten in einem Zeitraum von etwa zehntausend Jahren mehrere hundert Millionen Teilchen pro Quadratzentimeter auf die Erde nieder. Diese Zahl entspricht ziemlich genau dem Gehalt der Eisenmanganproben, wenn zusätzlich der Tatsache Rechnung getragen wird, daß während deren "Wachstumsprozess" nur etwa ein Prozent des im Wasser enthaltenen Eisens angelagert wird. Die Forscher sind also tatsächlich auf dem Boden des Ozeans einer vergangenen Supernova im Weltall auf die Spur gekommen.

Weitere Informationen:

Dr. Klaus Knie
Fakultät für Physik, TU München
Tel.: 089-28914257
Fax: 089-28914280
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Prof. Dr. Klaus Wandelt
Institut für Physikalische Chemie der Universität Bonn
Tel.: 0228-732253
Fax: 0228-732515
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