Quelle: DLR 24. Mai 2023.

24. Mai 2023 – Am 25. April 2023 leuchtete um 14:14 MESZ für etwa zwei Sekunden eine Tageslicht-Feuerkugel über Schleswig-Holstein auf. Diese helle Leuchterscheinung wurde von zwei Meteorkameras des Allsky7-Netzwerks aufgezeichnet und von einigen Augenzeugen in Deutschland und den Niederlanden beobachtet. Kurz darauf entdeckten drei Einwohner der Stadt Elmshorn Einschläge auf Dächern bzw. in ihren Gärten und fanden Meteorite von einigen hundert Gramm bis mehrere Kilogramm Masse. Journalisten kontaktierten daraufhin Dieter Heinlein aus Augsburg, den Meteoriten-Spezialisten des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR). Dieser konnte bereits anhand von Fotos sicherstellen, dass es sich um echte Steinmeteorite handelt, welche die Schäden an Hausdachpfannen verursacht hatten, und er organisierte die wissenschaftliche Untersuchung der Himmelssteine.

Dankenswerter Weise stellten die Eigentümer der Meteoritenstücke umgehend Material für die Analysen zur Verfügung: Ein Glücksfall für die Meteoriten- und damit auch die Planetenforschung. Mit der raschen Untersuchung können kurzlebige Radioisotope – instabile und schwach strahlende Nuklide oder „Sorten“ von radioaktiven Elementen – untersucht werden und wichtige Hinweise zur Herkunft und Geschichte des Steinmeteoriten liefern.

Das als erstes gefundene Meteoritenstück von 233 Gramm war von seinem Flug durch die Erdatmosphäre sogar noch handwarm. Kreuzen Staubkörner oder eben auch größere Gesteins- und (viel seltener) Metallfragmente die Bahn der Erde um die Sonne und treten im „Kollisionsfall“ dabei in die Erdatmosphäre ein, werden sie bei den hohen Geschwindigkeiten von bis zu 200.000 Kilometern pro Stunde und mehr von der Reibung der dadurch glühend heißen oberen Atmosphäre der Erde oberflächlich stark erhitzt. Dabei verglühen kleine Fragmente vollständig, was als Meteoroid oder „Sternschnuppe“ häufig von der Erde aus sichtbar ist. Größere Eindringlinge aber bilden eine mehrere Sekunden lang am Firmament sichtbare Feuerkugel, die am Ende der Hochtemperaturphase in mehreren Zehntausendmeter Höhe mit lautem Knall zerbersten. Nur bei größeren Fragmenten bleiben Reste mit typischer Schmelzkruste übrig, die nach dem Abbremsen durch die Luftreibung abkühlen und mit Geschwindigkeiten von 150 bis 300 Kilometern pro Stunde als Meteoriten auf den Boden fallen.

DLR leitete sofortige Untersuchung der Meteoriten ein
„Insgesamt wurden in Elmshorn etwa vier Kilogramm Meteoritengestein gefunden“, freut sich Meteoritenexperte Dieter Heinlein, der für das DLR-Institut für Planetenforschung die Funde sofort eindeutig als Meteoriten identifizieren konnte. „Das größte Objekt wiegt 3.724 Gramm. Das allein ist für die Forschung großartig. Das Beste an diesem Meteoritenfall ist aber der Umstand, dass die Funde so schnell gemeldet und dadurch einer sofortigen Untersuchung zugeführt werden konnten. Der Fall von Elmshorn ist wirklich eine kleine Sensation für die Meteoritenforschung!“ Tatsächlich ereignete sich ein fast identischer Meteoritenfall nur zwei Wochen später, am 8. Mai 2023, im Ort Hopewell im US-Bundesstaat New Jersey, als eine Bürgerin im Schlafzimmer ihres Vaters einen 984 Gramm schweren Meteoriten auf dem Boden fand – darüber ein Loch in der Decke, durch das der Bote aus dem All eingedrungen war. Auch in New Jersey wurde kurz vor dem Fund eine Feuerkugel in der Hochatmosphäre gesichtet. Ein ganz außergewöhnlicher Zufall, die beiden Ereignisse stehen aber in keinem astronomischen Zusammenhang.

Dieter Heinlein kontaktierte für die sofortige Untersuchung von „Elmshorn“ das Institut für Planetologie der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster und das VKTA – Strahlenschutz, Analytik & Entsorgung Rossendorf e.V. in Dresden. Am VKTA analysiert Dr. Detlev Degering einen der gefundenen Meteorite aktuell im Untertagelabor „Felsenkeller“ per Gammaspektrometrie auf vorrangig kurzlebige kosmogene Radionuklide, die allerdings extrem schwach strahlend sind und keine Gefahr für die Finder darstellten. Eine weitere Probe wird gegenwärtig am Institut für Planetologie in Münster von den Wissenschaftlern Dr. Markus Patzek und Prof. Dr. Addi Bischoff mineralogisch untersucht und klassifiziert. Unter Leitung der beiden Planetologen werden weitere Forschungsarbeiten an dem Elmshorn Meteoriten koordiniert, an denen unter anderem Institute aus Deutschland, Frankreich und der Schweiz beteiligt sind.

„Elmshorn“ hat eine bewegte Entstehungsgeschichte
Vorläufige Ergebnisse bestätigen die zuvor gemachten Beobachtungen: Bei dem Meteoritenfall von Elmshorn handelt es sich um einen Chondriten vom Typ H, der intensive Brekziierung aufweist. Unter Brekzien versteht man Gesteine, die aus Gesteinsbruchstücken zusammengesetzt oder durch Hitze zusammengebacken wurde. Das bedeutet für den Elmshorn-Meteoriten, dass er ein Zeugnis komplexer Vermischung und Verfestigungsprozesse durch vorherige Impakte im Asteroidengürtel ist. Entstanden sind diese Gesteinsbrocken zusammen mit den Planeten des Sonnensystems vor viereinhalb Milliarden Jahren. Zwischen den Planeten Mars und Jupiter hätte sich aus Millionen dieser Planetesimale noch ein weiterer Planet bilden können, was die Gravitation Jupiters, des mit Abstand massereichsten Körpers des Sonnensystems, verhinderte. Auf zumeist stabilen Bahnen umkreisen diese Überbleibsel der Planetenentstehung die Sonne.

Nach dem Meteoritenfall von Flensburg im Jahr 2019 ist es der nächste beobachtete Meteoritenfall in Deutschland, bei dem Bruchstücke eines fremden Himmelskörpers, der mit der Erde kollidierte, gefunden wurden. Wenige Kilogramm schwere Meteoritenfälle wie „Elmshorn“ oder 2002 „Neuschwanstein“ erzeugen in der Natur einen meist nur wenige Dezimeter tiefen Krater. In besiedeltem Gebiet kann der Fall natürlich Schaden an Gebäuden verursachen. Das ist extrem selten und passierte aufgezeichnet in den vergangenen beiden Jahrhunderten nur wenige Male, so zum Beispiel am 25. April 2023 in Elmshorn.

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• Meteoriten & Co – Boten aus dem Weltall

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Quelle: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung 20. Oktober 2022.

20. Oktober 2022 – Der Asteroid Ryugu ist wahrscheinlich am äußeren Rand des Sonnensystems jenseits der Gasriesen Jupiter und Saturn entstanden. Diesen Schluss legen hochpräzise Messungen nahe, die das Verhältnis verschiedener Eisenisotope in Gesteinsproben von Ryugu bestimmen. Die japanische Raumsonde Hayabusa 2 hatte die Proben entnommen und vor zwei Jahren zurück zur Erde gebracht. Eine internationale Forschergruppe mit Beteiligung des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen und der Georg-August-Univesität Göttingen berichtet von diesen Ergebnissen heute in der Fachzeitschrift Science Advances. Demnach unterscheidet sich die Zutatenliste Ryugus in einem entscheidenden Punkt deutlich von der typischer kohlenstoffreicher Meteorite. Stattdessen deutet alles auf eine enge Verwandtschaft mit einer seltenen Meteoritenklasse hin, die ebenfalls dem äußeren Sonnensystem zuzuordnen ist. Die Studie ist eine von insgesamt drei Veröffentlichungen, die die Zeitschriften Science und Science Advances heute dem Asteroiden Ryugu widmen.

Gerade einmal fünf Gramm Gesteinsmaterial enthielt die Probenkapsel, die am 5. Dezember 2020 nahe der Stadt Woomera im australischen Bundesstaat South Australia niederging. Ihr „Absender“ war die japanische Raumsonde Hayabusa 2. Nachdem die Sonde das Gestein ein Jahr zuvor vom Asteroiden Ryugu eingesammelt hatte, nutzte sie den Vorbeiflug an der Erde, um ihre wertvolle Fracht abzuliefern – bevor sie selbst zur nächsten Asteroidenbegegnung weiterreiste. 2031 soll sie ihr zweites Ziel, den Asteroiden 1998 KY26, passieren.

Die in der Kapsel enthaltenen Gesteinsproben sind erst die zweiten, die jemals von einem Asteroiden zur Erde gebracht wurden. Präzise Messungen, die umfassend Aufschluss über Zusammensetzung, Beschaffenheit, Herkunft und Entwicklung des kosmischen Brockens geben können, sind nur in irdischen Labors – und nicht etwa an Bord der Raumsonde – möglich. Knapp zwei Jahre nach Eintreffen der Proben auf der Erde liegen erste Ergebnisse vor. Sie bescheinigen den Gesteinsproben unter anderem eine körnige, lockere Struktur, einen Werdegang, bei dem über einen langen Zeitraum Mineralien mit Wasser reagierten, und belegen, dass Ryugu Aminosäuren und andere komplexe organische Moleküle enthält. Zu den vielen offenen Fragen zählt die nach dem Entstehungsort Ryugus. Dieser Frage geht die aktuelle Studie mit Beteiligung des MPS und der Universität Göttingen nach.

Wanderung durchs Sonnensystem
Der kohlenstoffreiche Asteroid Ryugu, der etwa einen Kilometer im Durchmesser misst und dessen Form an eine abgerundete Doppelpyramide erinnert, zählt zur Klasse der erdnahen Objekte. Diese Körper ziehen ihre Bahnen in einem ähnlichen Abstand um die Sonne wie die Erde. Forscherinnen und Forschern gehen jedoch davon aus, dass Asteroiden dieser Art im inneren Sonnensystem lediglich Zugezogene sind und den größten Teil ihres Daseins im Asteroidengürtel zwischen den Umlaufbahnen von Mars und Jupiter verbracht haben.

Der eigentliche Geburtsort vieler Körper des Asteroidengürtels dürfte noch weiter außen im Sonnensystem liegen. Messungen und Simulationen sprechen dafür, dass kohlenstoffreiche Asteroiden (ebenso wie die kohlenstoffreichen Meteoriten, sogenannte kohlige Chondrite) ihren Ursprung im äußeren Sonnensystem haben: die meisten von ihnen in der Nähe der Entstehungsorte von Jupiter und Saturn, einige wenige möglicherweise sogar im Einflussbereich von Uranus und Neptun. Erst das Wachsen der vier Gasriesen wirbelte sie dann in den Asteroidengürtel.

Genauer Blick auf Baumaterial
„Alle Untersuchungen deuten darauf hin, dass Ryugu wie die kohligen Chondrite ein Kind des äußeren Sonnensystems ist“, fasst Dr. Timo Hopp von der University of Chicago, Erstautor der aktuellen Studie, den bisherigen Kenntnisstand zusammen. Der Wissenschaftler forscht mittlerweile am MPS. Ob der Entstehungsort Ryugus jedoch in der Nähe von Jupiter und Saturn oder noch weiter entfernt von der Sonne zu verorten ist, ließ sich bisher nicht klären.

Zu diesem Zweck wandte sich die Forschergruppe um Hopp den Eisenisotopen in den Gesteinsproben des Asteroiden zu. Als Isotope bezeichnet man Varianten desselben chemischen Elements, wie etwa Eisen, die sich lediglich durch die Anzahl der Neutronen im Kern und damit ihr Gewicht unterscheiden. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler gehen davon aus, dass die Isotope bestimmter Elemente in der Geburtsstunde des Sonnensystems nicht gleichmäßig verteilt waren. Je nachdem wo ein Körper entstanden ist, stand somit Baumaterial mit unterschiedlichen Isotopenverhältnissen zur Verfügung. Diese Verhältnisse enthalten noch heute Informationen über den Entstehungsort eines Körpers.

Für ihre Analysen untersuchten die Forscher vier Proben des Asteroiden Ryugu sowie zum Vergleich Proben 13 verschiedener Meteoriten, die unterschiedliche Meteoritengruppen repräsentieren. Die meisten von ihnen sind wie Ryugu kohlenstoffreich. „Das Verhältnis bestimmter Eisenisotope zueinander ist ein hervorragender Marker, um einige dieser Gruppen nach ihren Entstehungsorten voneinander zu unterscheiden“, erklärt MPS-Direktor und Ko-Autor Prof. Dr. Thorsten Kleine.

Nachdem die Gesteinsproben von Ryugu in Japan aufwändig chemisch präpariert wurden, reisten sie nach Chicago. Nach weiteren vorbereitenden Schritten analysierte Timo Hopp die Proben mit Hilfe eines Multikollektor-Plasma-Massenspektrometers und konnte so Unterschiede in den Mengenverhältnissen verschiedener Eisenisotope auf wenige Teile pro Million genau bestimmen.

Kosmische Verwandtschaft
Wie sich zeigte, unterscheiden sich diese Verhältnisse im Fall des Asteroiden Ryugu deutlich von dem der meisten untersuchten Meteoriten. Lediglich eine Gruppe von Meteoriten bildet eine Ausnahme: die CI-Chondriten, die nach dem tansanischen Fundort ihres bekanntesten Vertreters auch als Meteoriten vom Ivuna-Typ bezeichnet werden. „Es besteht eine auffällige Verwandtschaft zwischen dem Asteroiden Ryugu und den vergleichsweise seltenen Meteoriten der CI-Gruppe“, so Hopp. „Unsere Messungen belegen, dass Ryugu und Meteorite des Ivuna-Typs im selben Bereich des frühen Sonnensystems entstanden sind und dass dieser Bereich nicht mit dem Entstehungsort anderer kohliger Chondrite zusammenfällt“, fügt er hinzu.

„Alles in allem spricht viel dafür, dass wir mit Ryugu und den Meteoriten vom Ivuna-Typ Überbleibsel der frühen Körper gefunden haben, die sich am äußersten Rand des Sonnensystems gebildet haben“, so Ko-Autor Prof. Dr. Andreas Pack von der Abteilung für Geochemie und Isotopengeologie der Georg-August-Universität Göttingen.

Weitere Studien
Bereits frühere Studien hatten Ähnlichkeiten zwischen dem Asteroiden Ryugu und Meteoriten vom Ivuna-Typ gefunden, etwa in Hinblick auf ihre chemische und mineralogische Zusammensetzung. In der Fachzeitschrift Science berichtet eine Forschergruppe heute von einem weiteren Hinweis: Auch die Gase, welche die Proben von Ryugu während ihrer Reise zur Erde in der Probenkapsel ausgedünstet haben, deuten auf Gemeinsamkeiten mit diesen exotischen Meteoriten hin.

Originalpublikation:
Timo Hopp et al.: Ryugu’s nucleosynthetic hertiage from the outskirts of the Solar System, Science Advances, 20. Oktober 2022, https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.add8141

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• HAYABUSA-2 zu Asteroid (162173) Ryugu auf H-IIA

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Quelle: Universität Bayreuth 7. Oktober 2022.

7. Oktober 2022 – Die Einschläge führten dazu, dass die noch junge Erde und andere Planetesimale zwischen vier und 20 Prozent ihrer Masse verloren. Sie trugen wesentlich zur heutigen chemischen Zusammensetzung der Erde bei.

Vor mehr als 4,56 Milliarden Jahren bildeten sich die ersten kleinen Planeten des Sonnensystems aus Staubwolken, die durch die Kondensation von Gasen entstanden. Diese Asteroiden verschmolzen später zu größeren festen Körpern, den so genannten Protoplaneten, die die Forscher auch als Planetesimale bezeichnen. Diese Planetesimale waren die Bausteine der Erde und anderer terrestrischer Planeten. Um mehr über die chemische Zusammensetzung dieser frühen Himmelskörper zu erfahren, untersuchte Prof. Dr. Audrey Bouvier vom Bayerischen Geoinstitut (BGI) der Universität Bayreuth zusammen mit dem ehemaligen Cotutelle-Doktoranden Dr. Paul Frossard und Forschungspartnern in Clermont-Ferrand eine Reihe von chondritischen Meteoriten. Dabei handelt es sich um Gesteinsproben, die wahrscheinlich seit der Frühzeit des Sonnensystems unverändert geblieben sind. Diese Meteoriten ähneln in ihrer chemischen Zusammensetzung wahrscheinlich den frühen primitiven Asteroiden, aus denen sich Planetesimale und die junge Erde entwickelt haben. Die massenspektrometrischen Analysen konzentrierten sich insbesondere auf Neodym (Nd) und Samarium (Sm). Diese Elemente, die zu den Metallen der Seltenen Erden gehören, sind für die geochemische Forschung von besonderem Interesse: Das Isotop ¹⁴⁶Sm ist radioaktiv und zerfällt mit einer für geologische Zeiträume kurzen Halbwertszeit von 103 Millionen Jahren in das Isotop ¹⁴²Nd. Es ist daher in den letzten vier Milliarden Jahren im Sonnensystem verschwunden. Die Forscher bestimmten zunächst, wie der Anteil des Isotops ¹⁴²Nd an den Neodym-Atomen – kurz: die ¹⁴²Nd-Häufigkeit – in den Staubkomponenten verschiedener Chondrite variiert.

Die Ergebnisse der Chondriten-Analysen präzisieren einen rätselhaften Befund, der in der Forschung schon seit längerem diskutiert wird: Die ¹⁴²Nd-Häufigkeit im Erdinneren ist deutlich höher als in den Chondriten. In dieser Hinsicht stimmt die chemische Zusammensetzung der Erde nicht mit der chemischen Zusammensetzung primitiver Asteroiden überein, die sich durch Gravitationskräfte zu Planetesimalen – den Bausteinen der Erde – entwickelten. „Durch die Kombination der Ergebnisse unserer Messungen mit etablierten astrophysikalischen Modellen, die die Entstehung der chemischen Elemente in Sternen beschreiben, konnten wir nun eine plausible Erklärung für die unterschiedliche ¹⁴²Nd-Häufigkeit auf der Erde und in primitiven Asteroiden finden“, sagt Prof. Dr. Audrey Bouvier, Mitautorin der neuen Studie.

Ausgangspunkt der neuen Erklärung ist die Verteilung der chemischen Elemente in den frühen Planetesimalen, die sich aus primitiven Asteroiden gebildet haben. Es kam zu einer fortschreitenden Erhitzung und chemischen Differenzierung: Siderophile Elemente, die Eisen an sich binden, konzentrierten sich im Zentrum der Planetesimale, wodurch ein metallischer Kern entstand. Lithophile Elemente hingegen, die eine Affinität zu Silikaten haben, reicherten sich eher in den oberen Schichten – Mantel und Kruste – der Planetesimale an. Dieser Prozess führte zur Bildung von zwei verschiedenen Reservoiren, die sich in ihren Sm- und Nd-Anteilen unterschieden. Im Laufe der Zeit nahm die ¹⁴²Nd-Häufigkeit auf der Erde aufgrund des radioaktiven Zerfalls zu und wurde höher als die ¹⁴²Nd-Häufigkeit in den primitiven Asteroiden. Das Forscherteam in Bayreuth und Clermont-Ferrand schlägt auf der Grundlage seiner Messungen ein sehr klares Szenario vor: Das Planetesimal, das den Vorläufer der frühen Erde bildete, kollidierte im entstehenden Sonnensystem wiederholt mit anderen Planetesimalen. Dabei wurden immer wieder große Mengen an Material aus seiner Kruste herausgesprengt. Gemeinsam kommen die Autor*innen der neuen Studie zu dem Schluss, dass durch Kollisionen mit Planetesimalen etwa vier bis 20 Prozent der Masse der jungen Erde und anderer Planetesimale herausgesprengt wurden.

„Es ist sehr wahrscheinlich, dass auch andere Elemente von dem enormen kollisionsbedingten Materialverlust betroffen waren. Daher stellt sich erneut die Frage, welche Mengen an radioaktiven Elementen wie Uran, Kalium und Thorium heute im Erdinneren vorhanden sind und zu ihrem Wärmehaushalt und ihrer physikalischen Entwicklung beitragen. Darüber hinaus könnte die Annahme, dass Planetesimale in der frühen Phase ihrer Entstehung immer wieder miteinander kollidiert sind, auch aufschlussreich für die chemische Zusammensetzung weiterer Planeten sein – sei es innerhalb oder außerhalb des Sonnensystems“, sagt die Bayreuther Kosmochemikerin Prof. Dr. Audrey Bouvier.

Veröffentlichung:
Paul Frossard, Claudine Israel, Audrey Bouvier, Maud Boyet: Earth’s composition was modified by collisional erosion. Science Vol. 377, Issue 6614.
DOI: dx.doi.org/10.1126/science.abq7351
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq7351
Die Studie enthält Forschungsergebnisse, die der Erstautor Dr. Paul Frossard im Rahmen seiner von den Universitäten Bayreuth und Clermont-Ferrand betreuten Doktorarbeit erzielt hat.

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• Planetenentstehung

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Quelle: Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich), ETH-News Arian Bastani 8. Juli 2022.

Obwohl die Erde seit langem detailliert untersucht wird, sind einige grundlegende Fragen immer noch nicht beantwortet. Eine davon betrifft die Entstehung unseres Planeten, über dessen Anfänge sich die Forschenden immer noch im Unklaren sind. Nun schlägt ein internationales Forschungsteam unter der Leitung der ETH Zürich und des Nationalen Forschungsschwerpunkts PlanetS basierend auf Laborexperimenten und Computersimulationen eine neue Antwort auf diese Frage vor. Die Studie haben die Forschenden in der Fachzeitschrift Nature Astronomy publiziert.

Eine unerklärliche Diskrepanz
«Die vorherrschende Theorie in der Astrophysik und Kosmochemie besagt, dass die Erde aus sogenannten chondritischen Asteroiden entstanden ist. Das sind relativ kleine, einfache Blöcke aus Gestein und Metall, die sich früh im Sonnensystem gebildet haben», erklärt der Hauptautor der Studie, Paolo Sossi, Professor für experimentelle Planetologie an der ETH Zürich. «Das Problem an dieser Theorie ist, dass keine Mischung dieser Chondriten die exakte Zusammensetzung der Erde erklären kann. Diese ist wesentlich ärmer an leichten, flüchtigen Elementen wie Wasserstoff und Helium als man erwarten würde.»

Um diese Diskrepanz zu erklären, wurden im Laufe der Jahre verschiedene Hypothesen formuliert. So wurde beispielsweise postuliert, dass die Kollisionen der Objekte, aus denen sich später die Erde bildete, zu einer starken Erhitzung geführt haben. Dadurch seien die leichten Elemente verdampft, so dass am Ende eben ein Planet mit der heutigen Zusammensetzung der Erde zurückblieb.

Misst man jedoch die Isotopenzusammensetzung von verschiedenen Elementen auf der Erde, werden diese Theorien unplausibel, ist Sossi überzeugt: «Die Isotope eines chemischen Elements haben alle gleich viele Protonen, aber unterschiedlich viele Neutronen. Isotope mit weniger Neutronen sind leichter und sollten daher einfacher entweichen können. Wäre die Theorie der Verdampfung durch Erhitzung richtig, würde man heute auf der Erde weniger von diesen leichten Isotopen finden als in den ursprünglichen Chondriten. Doch genau das zeigen die Isotopenmessungen eben nicht.»

Ein kosmischer Schmelztiegel
Das Team um Sossi hat daher nach einer anderen Lösung gesucht. «Dynamische Modelle, mit denen wir die Entstehung von Planeten simulieren, zeigen, dass sich die Planeten in unserem Sonnensystem nach und nach gebildet haben. Anfänglich kleine Körner sind mit der Zeit zu kilometergroßen Planetesimalen herangewachsen, indem sie durch ihre Anziehungskraft immer mehr Material angesammelt haben», erklärt Sossi. Ähnlich wie Chondrite sind auch Planetesimale kleine Körper aus Gestein und Metall. Aber im Gegensatz zu Chondriten wurden sie ausreichend erhitzt, um sich in einen metallischen Kern und einen felsigen Mantel zu differenzieren. «Außerdem können Planetesimale, die sich in verschiedenen Gebieten um die junge Sonne oder zu verschiedenen Zeiten gebildet haben, eine sehr unterschiedliche chemische Zusammensetzung aufweisen», ergänzt Sossi. Die Frage ist nun: Könnte die zufällige Kombination verschiedener Planetesimale tatsächlich zu einer Zusammensetzung führen, die derjenigen der Erde entspricht?

Um dies herauszufinden, führte das Team Simulationen durch, bei denen Tausende von Planetesimalen im frühen Sonnensystem miteinander kollidierten. Dabei wurden die Modelle so ausgelegt, dass mit der Zeit Himmelkörper entstanden, welche den vier Gesteinsplaneten Merkur, Venus, Erde und Mars entsprechen. Die Simulationen zeigen nun, dass eine Mischung vieler verschiedener Planetesimale tatsächlich zur effektiven Zusammensetzung der Erde führen könnte. Mehr noch: Die Zusammensetzung der Erde ist sogar das statistisch wahrscheinlichste Ergebnis dieser Simulationen.

Eine Blaupause für andere Planeten
«Auch wenn wir es vermutet hatten, war dieses Ergebnis für uns doch sehr bemerkenswert», erinnert sich Sossi. «Wir haben jetzt nicht nur einen Mechanismus, der die Entstehung der Erde besser erklärt, sondern auch eine Referenz, um die Entstehung der anderen Gesteinsplaneten zu erklären», meint der Forscher. Man könnte mit dem Mechanismus zum Beispiel vorhersagen, wie sich die Zusammensetzung des Merkurs von jener anderer Gesteinsplaneten unterscheidet. Oder wie felsige Exoplaneten anderer Sterne zusammengesetzt sein könnten.

«Unser Studie zeigt, wie wichtig es ist, sowohl die Dynamik als auch die Chemie zu berücksichtigen, wenn man die Entstehung von Planeten verstehen will», hält Sossi fest. «Ich hoffe, dass unsere Erkenntnisse zu einer engeren Zusammenarbeit zwischen Forschenden aus diesen beiden Bereichen führen.»

Publikation
Sossi P et.al. Stochastic accretion of the Earth. Nature Astronomy, 8. Juli 2022. DOI: 10.1038/s41550-​022-01702-2
https://www.nature.com/articles/s41550-022-01702-2

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• Planetenentstehung

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Quelle: GFZ.

13. April 2022 – TEM-Experte Vladimir Roddatis aus der GFZ-Sektion 3.5 Grenzflächen-Geochemie ist Co-Autor einer kürzlich im Fachmagazin Nature Astronomy erschienenen Studie. Sie untersucht die chemischen Verwitterungsprozesse eines zu Chondriten analogen Minerals in ammoniakreichen wässrigen Lösungen, um Bedingungen zu simulieren, die auf eisigen Himmelskörpern wie den mittelgroßen Monden von Saturn und Uranus oder transneptunischen Objekten herrschen könnten.

Bislang war unklar, dass und wie solche Prozesse auf eisigen Monden ablaufen können, die aus einer Mischung aus gefrorenem Wasser und Gestein bestehen. Neue Einsichten hierzu lieferte nun ein Team unter Leitung des ISTerre (CNRS, Université Grenoble Alpes) mit Beteiligung des LEPMI (CNRS, Université Grenoble Alpes, Grenoble INP), LPG (CNRS, Nantes Université, Université d’Angers, Le Mans Université) und des GFZ (Deutsches GeoForschungsZentrum Potsdam).

Chemische Verwitterung auch unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser möglich
Anhand von Langzeit-Laborexperimenten an Olivin-Kristallen wiesen die Wissenschaftler*innen nach, dass eine kontinuierliche chemische Verwitterung auch bei Temperaturen von unter Null Grad Celsius stattfinden kann. Entscheidend hierfür ist ihrer Studie zufolge die Existenz eines dünnen Films aus flüssigem Wasser, der die im Eis eingeschlossenen Gesteinskörper umhüllt. Er ist mit chemischen Substanzen gesättigt, die ihn vor dem Einfrieren schützen.

Die Forschenden haben in chemischen Reaktoren die relevanten Bedingungen auf eisigen Himmelskörpern nachgestellt und so die Wechselwirkung von Mineralen mit Eis und ammoniakreichen Lösungen bei Temperaturen zwischen -20 und +22°C untersucht, über einen Zeitraum von über 440 Tagen. Hierfür nutzten sie das magnesium- und eisenhaltige Silikatmineral Olivin, das wesentlicher Bestandteil vieler Himmelskörper und auch von Erdkruste und oberem Erdmantel ist, und maßen, wie viel Magnesium und Silizium sich aus den Olivin-Kristallen in die umgebende Flüssigkeit gelöst hatte.

Hochaufgelöste TEM-Messungen liefern entscheidende Einsichten in die Auflösungsprozesse an Gesteinsoberflächen auf atomarer Skala
„Einen entscheidenden Beitrag zum Verständnis der Verwitterungsprozesse an der Oberfläche der Olivin-Körnchen leisteten die Untersuchungen mit modernsten Methoden der analytischen Transmissionselektronenmikroskopie am GFZ, die die strukturellen und chemischen Eigenschaften der Mineralien und ihrer Umgebung in atomar genauer Skala abbilden kann“, sagt Roland Hellmann von der ISTerre in Grenoble und einer der Hauptautoren der Studie.

Die Messungen zeigen, dass die Olivin-Kristalle nach mehr als einem Jahr Reaktion bei -20 Grad Celsius an ihrer Oberfläche nur eine sehr dünne amorphe, also ungeordnete, nicht mehr kristalline Übergangsphase entwickelt hatten – Nachweis eines wässrigen Veränderungsprozesses. Gleichzeitig wurden mit Hilfe der Raman-Spektroskopie flüssiges Wasser, Ammoniak und Karbonat-Ionen in der Dünnschicht an den Kristalloberflächen nachgewiesen. Das bestätigt die Anreicherung von Frostschutzmitteln in der wässrigen Dünnschicht, welche eine Olivin-Verwitterung bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt ermöglichen.

TEM-Experte Vladimir Roddatis vom GFZ betont: „Nur das neue Thermo Fisher Scientific Themis Z Transmissionselektronenmikroskop, das mit seinem Auflösungsvermögen im Sub-Ångström-Bereich auch einzelne Atome abbilden kann, und die damit verbundene extrem präzise Präparation der Proben durch fokussiertes Ionenstrahlfräsen haben diese Ergebnisse ermöglicht.“

„Die Ergebnisse sind sowohl überraschend als auch von großer Tragweite, da viele Modelle der planetaren Verwitterung davon ausgehen, dass höhere Temperaturen als die der Eisschmelze, also mehr als Null Grad Celsius erreicht werden müssen“, sagt Roland Hellmann. Auch viele andere Eiskörper im äußeren Sonnensystem könnten flüssiges Wasser aufweisen und damit potenziell günstige Bedingungen für solche Verwitterungsreaktionen, von denen nun klar ist, dass sie ein geologisch schneller Prozess sind.

Über das Messgerät
Das Themis Z 3.1-Transmissionselektronenmikroskop ist Teil der PISA-(Potsdam Imaging and Spectral Analysis)-Einrichtung, die zur Sektion 3.5 Grenzflächen-Geochemie gehört. Dieses Mikroskop wurde aus Mitteln des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung und des Landes Brandenburg finanziert. Die PISA-Anlage vereint verschiedene hochmoderne Bildgebungs- und Spektralanalysegeräte und Probenvorbereitungseinrichtungen, die für eine Vielzahl von Anwendungen in der Geo-, Material- und Bioforschung genutzt werden.

Originalpublikation:
Zandanel, A., Hellmann, R., Truche, L. et al. Geologically rapid aqueous mineral alteration at subfreezing temperatures in icy worlds. Nat Astron (2022).

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• Wasser im Sonnensystem

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Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: JPL, USGS, University of Arizona.

Bereits seit Ende März 2014 ist der von der US-amerikanischen Weltraumbehörde NASA betriebene Marsrover Curiosity damit beschäftigt, einen mit dem Namen „The Kimberley“ belegten Oberflächenabschnitt im Inneren des Gale-Kraters eingehend zu untersuchen. Bei der Region „Kimberley“ handelt es sich um einen von mehreren von den an dieser Mission beteiligten Wissenschaftlern ausgewählten „Waypoints“, an denen der Rover längere Pausen für ausführlichere wissenschaftliche Untersuchungen einlegen soll.

Das wissenschaftliche Ziel der Analysen dieser „Wegpunkte“ besteht darin, Informationen über die Geologie des jeweiligen Geländes zu sammeln, welches sich zwischen dem Landegebiet des Rovers und dem zukünftigen Ziel der Mission – der Basis des im Inneren des Kraters gelegenen Zentralberges „Aeolis Mons“ – befindet. Die gesammelten Daten sollen den Wissenschaftlern dabei helfen, die zwischenzeitlich gewonnenen Informationen in einen geologischen und geochemischen Kontext zu den Erkenntnissen zu setzen, welche zukünftig bei den geschichteten Gesteinsablagerungen des Zentralberges erlangt werden sollen. Ein spezielles Augenmerk soll dabei auf geologische Strukturen gerichtet werden, welche in der Vergangenheit offensichtlich durch stehendes beziehungsweise fließendes Wasser erzeugt oder verändert wurden.

Letztendlich entscheidend für die Auswahl der Region „Kimberley“ als einer dieser Wegpunkte war das in geologischen Zeitskalen betrachtet relativ junge Alter dieser Region. Wie auch bereits zuvor im Bereich von „Yellowknife Bay“ (Raumfahrer.net berichtete über die dortigen Untersuchungen) dürften die im Bereich der Region „Kimberley“ abgelagerten Gesteine seit weniger als etwa 100 Millionen Jahren auf der Planetenoberfläche abgelagert und den dort vorherrschenden unfreundlichen Umweltbedingungen ausgesetzt sein. Verantwortlich für die erst kürzlich erfolgte „Freilegung“ der jetzt an der Marsoberfläche abgelagerten Gesteine sind verschiedene erosive Prozesse, welche in erster Linie durch eine Winderosion bedingt sind.

Die so freigelegten Gesteine könnten aufgrund des relativ geringen Zeitraumes, in dem sie auf der direkten Oberfläche frei liegen, organisches Material beherbergen. Die Suche nach solchen komplexen, kohlenstoffhaltigen Verbindungen, welche auch als die „Grundbausteinen des Lebens“ bezeichnet werden, gilt als eines der erklärten Hauptziele der Curiosity-Mission.

Sollten im Rahmen der Mission organische Verbindungen auf dem Mars nachgewiesen werden, so könnten diese eventuell biologischen Ursprungs sein. Als eine alternative Quelle kommen jedoch zum Beispiel auch eine bestimmte Meteoritenart, die sogenannten Kohligen Chondrite, oder Fragmente von Kometenkernen in Frage, welche organischen Verbindungen eigentlich regelmäßig auf die Oberfläche des Mars transportieren sollten. Ein eindeutiger positiver Nachweis von organischen Materialien ist im Rahmen der bisherigen Marsmissionen allerdings noch nicht erfolgt.

Allerdings werden entsprechende chemische Verbindungen durch die auf der Marsoberfläche herrschenden Umweltbedingungen sehr wahrscheinlich auch relativ schnell zerstört. Erst ab einer Tiefe von etwa zwei Metern unter der Oberfläche wird die kosmische Strahlung so weit abgeschirmt, dass entsprechende Verbindungen nicht zersetzt werden (Raumfahrer.net berichtete).

Ein geeigneter Ort für Analysen wurde gesucht…
Nach dem Erreichen des Nordrandes von „Kimberley“ hat der Rover mit dem Umfahren dieser Region begonnen, wobei Curiosity sich zunächst in die östliche und schließlich in die südliche Richtung bewegte (Raumfahrer.net berichtete). Dabei wurden in regelmäßigen räumlichen Abständen einzelne Oberflächenabschnitte mit den Kamerasystemen des Rovers abgebildet und anschließend bezüglich ihrer Eignung für eine ausführliche Analyse bewertet.

Bei diesen durchzuführenden Untersuchungen, welche diesmal voraussichtlich mehrere Wochen andauern werden, wird es sich um die umfangreichsten Untersuchungen eines einzelnen Oberflächenabschnitts des Gale-Kraters seit dem Verlassen der Region „Yellowknife Bay“ im Sommer 2013 handeln.

Neben den wissenschaftlichen Instrumenten des Rovers wird dabei auch erneut ein Gesteinsbohrer zum Einsatz kommen, mit dessen Hilfe Material von der Marsoberfläche entnommen und anschließend mit mehreren Instrumenten näher analysiert werden soll. Auch aufgrund der Dauer dieser Untersuchungen ist die Auswahl des zu untersuchenden Oberflächenbereiches von besonderer Bedeutung.

…und gefunden
Während der vergangenen Woche fand in Pasadena/Kalifornien schließlich ein dreitägiges Treffen der an der Mission beteiligten Wissenschaftler und Ingenieure statt. Dabei wurde unter anderem auch der Ort ausgewählt, an dem im Rahmen dieser Kampagne die nächste Bohrung stattfinden wird. Dabei standen mehrere vielversprechende Stellen zur Auswahl. Der im Verlauf dieses Meetings ausgewählte Oberflächenbereich, welcher letztendlich auch aufgrund der Passierbarkeit des Geländes festgelegt wurde, befindet sich im südlichen Randbereich des „Mount Remarkable“, eines lediglich etwa fünf Meter hohen Hügels am südlichen Rand von „Kimberley“.

Diese Region wurde am gestrigen Missionstag im Rahmen einer Fahrt über rund 24 Meter erreicht. In den kommenden Tagen werden weitere Auswertungen der in dieser Region anzufertigenden Fotoaufnahmen sowie die Analyse der Daten der restlichen Instrumente des Rovers erfolgen. Sollten dabei keine unvorhergesehenen Ergebnisse auftreten, so wird sich Curiosity anschließend dem angepeilten „Bohrgebiet“ weiter annähern und letztendlich sein Probeentnahmesystem zum Einsatz bringen.

Bis zum heutigen Tag, dem „Sol“ 607 seiner Mission, hat der Marsrover Curiosity mit seinen Kamerasystemen 142.185 Bilder aufgenommen und an das Roverkontrollzentrum des Jet Propulsion Laboratory (JPL) in Pasadena/Kalifornien übermittelt. Diese Aufnahmen sind für die interessierte Öffentlichkeit auf einer speziellen Internetseite des JPL einsehbar. Insgesamt hat der Rover mittlerweile mehr als 6.200 Meter auf der Marsoberfläche zurückgelegt.

Verwandte Meldungen bei Raumfahrer.net:

• Marsrover Curiosity untersucht die Region Kimberley (9. April 2014)
• Trotz Problemen mit dem MRO: Curiosity fährt weiter (17. März 2014)
• Curiosity: Zwei längere Fahrten im Rückwärtsgang (22. Februar 2014)
• Curiosity überschreitet die Fünf-Kilometer-Marke (12. Februar 2014)
• Marsrover Curiosity setzt seine Untersuchungen fort (8. Februar 2014)
• Curiosity hat die Sanddüne überquert (7. Februar 2014)
• Marsrover Curiosity hat Dingo Gap erreicht (1. Februar 2014)

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• Aktuelle Diskussion zu Curiosity

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Ein Beitrag von Ingo Froeschmann. Quelle: Brown University.

Als Wissenschaftler die Infrarotaufnahmen von Asteroiden (von der Erde aus aufgenommen) und Meteoriten (die auf der Erde gesammelt worden waren) verglichen, fanden sie genug Unterschiede, um Zweifel am gemeinsamen Ursprung von Asteroiden und Meteoriten aufkommen zu lassen. Sollten Asteroiden wirklich für die Meteoriten auf der Erde verantwortlich sein?

Ein detaillierter Vergleich des erdnahen Asteroiden Itokawa mit vorhandenen Meteoritenfunden bestätigte, dass die „Verwitterung“ im All für die Unterschiede zwischen Asteroiden und Chondriten (den häufigsten Meteoriten) verantwortlich sein kann.

„Die chondritischen Meteoriten sind so zahlreich, dass es sehr viele Quellen für sie geben muss“, sagte Takahiro Hiroi, leitender Autor der Untersuchung von der Brown University. „Bisher konnten wir aber keine finden, die so deutlich zueinander passten. Die Beobachtungen zeigen uns Verwitterungen im All sozusagen in Echtzeit.“

Während Millionen von Jahren haben energiegeladene Ionen und mikroskopisch kleine Partikel die Oberflächen der Asteroiden bombardiert und einen dünnen Staubfilm hinterlassen, durch den die optischen Eigenschaften verändert werden. Stark verwitterte Bereiche erscheinen dabei dunkel und rot. Das nahe infrarote Spektrum dieser Bereiche tendiert gegen das rote Ende des Spektrums.

Hiroi besuchte verschiedene Museen und sammelte Dutzende von frisch gefallenen Meteoriten. Er sortierte viele Fundstücke aus, weil die Oxidation durch Regen und Luft auf der Erde bereits die Oberfläche zu sehr verändert hatte und ein Vergleich mit Asteroiden kaum noch möglich war. Zusammen mit anderen Wissenschaftlern der Hayabusa-Mission verglich Hiroi die Reflexionsspektren im nahen Infrarotbereich mit denen von verschiedenen Stellen des Asteroiden.

Eine Probe vom Meteoriten Alta’ameem (benannt nach den Fundort im Irak) lieferte fast identische Werte, nachdem die Einflüsse der Verwitterung im All mit eingerechnet worden waren. Die Veränderungen sind unter anderem eine Verringerung der durchschnittlichen optischen Wegstrecke, einem Zeichen für kleinere Staubteilchen, und ein höherer Anteil an kleinen Eisenpartikeln (npFeo).

Hiroi konnte den Effekt der Verwitterung erkennen, indem er die Spektren eines hellen und eines dunklen Flecks auf der Oberfläche von Itokawa verglich. Durch Vergleich mit dem Alta’ameem Meteoriten schätzte er, dass der stark verwitterte Bereich auf dem Asteroiden etwa 0,069 Prozent Eisenpartikel enthält, während es beim weniger stark verwitterten Bereich nur etwa 0,031 Prozent sind. Da Alta’ameem zur Gruppe der LL Chondriten gehört, die nur 10 Prozent der chondritischen Meteoriten ausmachen, nimmt Hiroi an, dass noch wesentlich mehr Asteroiden der Typen L und H in einem erdnahen Orbit existieren müssten.

Hinweise auf Verwitterung im All wurden schon früher auf Monden und großen Asteroiden gefunden, die deutlichen Beweise für einen relativ kleinen Asteroiden wie dem 550 Meter messenden Itokawa sind aber neu. Man nahm an, dass diese Himmelskörper mit ihrem kleineren Gravitationsfeld nicht in der Lage wären, verwitterte Materialien festzuhalten. Die neuen Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass sich verwittertes Material sehr wohl auf kleinen Asteroiden ansammelt, die wiederum die Quellen für die Mehrzahl der Meteoriten darstellen.

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