Quelle: Universität Wien.

„Supernovae-Explosionen sind faszinierende kosmische Ereignisse und besonders spannend ist, ob sie Spuren auf unserer Erde hinterlassen“, erklären Prof. Robin Golser und Dr. Martin Martschini von der Universität Wien, die an den Forschungsarbeiten beteiligt waren. Bei Untersuchungen von Tiefsee-Sedimenten aus dem Südostindischen Becken waren die Forscher*innen auf die Spur eines kontinuierlichen Staubeintrags aus dem interstellaren Raum gestoßen. Sedimente sind geologische Archive, sie konservieren die Zusammensetzung ihrer Umgebung über Millionen von Jahren hinweg. Das Hauptaugenmerk des Forschungsteams, das von Prof. Anton Wallner an der Australien National University (ANU) in Canberra geleitet wurde, galt dem Gehalt der untersuchten Sedimentschichten an einem sehr besonderen Isotop: Eisen-60.

In den letzten Tausenden von Jahren hat sich unser Sonnensystem durch eine dichtere Gas- und Staubwolke bewegt, die als lokale interstellare Wolke bekannt ist, deren Ursprung aber unklar ist. „Wenn diese Wolke in den letzten Millionen Jahren aus einer Supernova entstanden ist, würde sie Eisen-60 enthalten, ist sie wesentlich älteren Ursprungs, dann nicht – deshalb interessieren wir uns gerade für Sedimente jüngeren Entstehungsdatums, also der Zeit, die der Reise durch die interstellare Wolke entspricht“, beschreibt Wallner die Grundidee des Forschungsprojekts.

Auf der Suche nach dem außerirdischen Isotop
Eisen-60 entsteht, wenn massereiche Sterne bei Supernovae-Explosionen verglühen. Auf der Erde kommt es in natürlicher Form praktisch nicht vor. Eisen-60 ist schwach radioaktiv und nach etwa 15 Millionen Jahren nicht mehr nachweisbar. Auf der Erde gefundenes Eisen-60 muss also deutlich jüngeren Ursprungs sein. Die Forscher*innen nehmen an, dass eine relativ nahe Supernova in den letzten Millionen Jahren das Eisen-60 produziert haben könnte, das dann seinen Weg auf den Meeresboden und in die Sedimentablagerungen fand.

Als einzige Möglichkeit zum Nachweis extrem geringer Mengen von Spurenisotopen ist Beschleuniger-Massenspektrometrie (Accelerator Mass Spectrometry, AMS) die Methode der Wahl. Das Alter der Proben wurde an der AMS-Anlage VERA (Vienna Environmental Research Accelerator) der Universität Wien und an der AMS-Anlage DREAMS des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf gemessen. Das Ergebnis: Die untersuchten Sedimente überstreichen die letzten 33.000 Jahre und tragen demnach Informationen über Veränderungen der Umwelt ab dem Jungpleistozän in sich. An der Heavy Ion Accelerator Facility der ANU suchten die Wissenschaftler*innen schließlich nach Eisen-60.

Blick in die jüngere Vergangenheit unseres Sonnensystems
Tatsächlich enthielten alle untersuchten Sedimente Eisen-60. Die aufgezeigten Konzentrationen sind jedoch extrem niedrig: Insgesamt wies der Teilchendetektor nur neunzehn einzelne Eisen-60-Atome nach. Die Forscher*innen schließen daraus, dass in den vergangenen 33.000 Jahren ungefähr 60 Gramm Eisen-60 aus dem Sternenstaub über den gesamten Erdball verteilt niedergegangen sind. Die beobachteten Atome von Eisen-60 im Sediment lassen sich einzelnen Epochen zuordnen und dokumentieren die jüngste Reise unseres Sonnensystems durch die lokale interstellare Wolke.

Diese neuen Ergebnisse werfen neue Fragen auf: warum scheint Eisen-60 so gleichmäßig im lokalen interstellaren Raum verteilt zu sein und wie steht das in Zusammenhang mit den vor vier Jahren publizierten Messungen von Eisen-60 in sehr viel älteren Sedimenten? Damals hat das Forschungsteam signifikant höhere Werte vor 2,6 Millionen Jahren und 6 bis 7 Millionen Jahren nachgewiesen.

In einer ebenfalls gerade publizierten Arbeit weist ein anderes Forschungsteam (B. Fields et al., DOI:10.1073/pnas.2013774117) darauf hin, dass in Staubpartikeln eingeschlossenes Eisen-60 im interstellaren Medium mehrmals reflektiert worden sein könnte. Das nachgewiesene Eisen-60 stammt also möglicherweise von älteren Supernovae-Explosionen, als eine Art kosmisches Echo.

Publikation:
A. Wallner, J. Feige, L.K. Fifield, M.B. Froehlich, R. Golser, M.A.C. Hotchkis, D. Koll, G. Leckenby, M. Martschini, S. Merchel, S. Panjkov, S. Pavetich, G. Rugel, S.G. Tims: 60Fe deposition during the late Pleistocene and the Holocene echoes past supernova activity, in PNAS, 2020 (DOI: 10.1073/pnas.1916769117).

Weitere Informationen:
https://isotopenphysik.univie.ac.at/

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• Supernovae

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Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Mainz.

Diamanten bilden sich unter hohen Drücken in besonders alten und verdickten Bereichen an der Basis von Kontinenten. Von dort können sie von Magmen mitgerissen und an die Erdoberfläche transportiert werden. Diamant, die Hochdruckmodifikation von Kohlenstoff, ist ein begehrter Edelstein, besonders wenn er rein und frei von Einschlüssen ist. „Doch gerade die sogenannten faserigen Diamanten mit ihren Einschlüssen von Natrium- und Kalium-haltiger Salzlauge sind unfassbar wertvoll für die Geowissenschaften, denn sie geben uns wertvolle Aufschlüsse über die Bildungsbedingungen tief in der Erde“, erklärt Dr. Stephan Buhre vom Institut für Geowissenschaften der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU). Salzhaltige Fluideinschlüsse in Diamanten sind bereits beschrieben worden, jedoch konnte deren Ursprung nicht befriedigend erklärt werden. Einem Team von Wissenschaftlern der Macquarie-Universität in Sydney, der Goethe-Universität in Frankfurt und der Johannes Gutenberg-Universität gelang nun in einem experimentellen Ansatz der Durchbruch. Die Studie wurde im Fachmagazin Science Advances publiziert.

Unter Zuhilfenahme hydraulischer Hochdruckapparaturen wurde untersucht, ob subduzierte marine Sedimente als Quelle für diese Einschlüsse in Frage kommen. Damit dies geschieht, muss ozeanische Kruste und deren Sedimentauflage in einer Subduktionszone bis in eine Tiefe von über 110 Kilometern unter die Kontinente gelangen. Der Vorgang muss rasch geschehen, damit die Sedimentfracht in einen Druckbereich von über 4 Giga-Pascal – das entspricht dem 40.000-fachen des atmosphärischen Drucks – gelangt, bevor sie bei über 800 Grad Celsius zu schmelzen beginnt, um dann mit dem umgebenden Erdmantel zu reagieren.

Hochdruckexperimente mit marinem Sediment und Peridotit
In den Hochdruckexperimenten wurde marines Sediment und das Erdmantelgestein Peridotit in zwei Lagen übereinandergelegt und in Edelmetallkapseln Drücken und Temperaturen ausgesetzt, wie sie in 120 bis 180 Kilometer Tiefe herrschen. Dabei bildeten sich am Kontakt beider Schichten kleine Salzkristalle, deren Kalium/Natrium-Verhältnis genau dem der salzhaltigen Fluideinschlüsse in Diamanten entsprach. In Experimenten bei geringeren Drücken, die Tiefen von weniger als 110 Kilometern entsprachen, fehlten diese Salzkristalle und das Kalium aus den recycelten Sedimenten wurde stattdessen in Glimmer-Mineralen gebunden.

Im Gegensatz zu den bisherigen Modellen, bei denen das Meerwasser als Ursprung dieser Salze vermutet wurde, bieten die Sedimente nun eine hervorragende Erklärung für die gemessenen Kalium-Gehalte der salinen Einschlüsse in Diamanten. Als Nebenprodukt der Reaktion entstanden auch magnesiumreiche Karbonate, die ein wichtiger Bestandteil von Kimberliten sind, den Magmen, die letztendlich die Diamanten an die Erdoberfläche transportieren.

Veröffentlichung:

• Michael Förster et al. Melting of sediments in the deep mantle produces saline fluid inclusions in diamonds Science Advances, 29. Mai 2019 DOI: 10.1126/sciadv.aau2620

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Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: FU Berlin, DLR, ESA.

Bereits seit dem Dezember 2003 befindet sich die von der europäischen Weltraumagentur ESA betriebene Raumsonde Mars Express in einer Umlaufbahn um den Mars und liefert den an der Mission beteiligten Wissenschaftlern seitdem regelmäßig eine Vielzahl an Daten über die Atmosphäre und die Oberfläche unseres äußeren Nachbarplaneten, durch deren Auswertung sich für die Planetenforscher wertvolle Einblicke in dessen Entwicklungsgeschichte ergeben.

Dabei überflog der Marsorbiter auch mehrmals den Becquerel-Krater und bildete diesen mit der High Resolution Stereo Camera (kurz „HRSC“), einem der insgesamt sieben wissenschaftlichen Instrumente an Bord der Raumsonde ab. Vier dieser Überflugaufnahmen, welche bereits vor mehreren Jahren während der Orbits 3253_1 (22. Juli 2006), 5332, 5350 und 5368 (26. Februar, 2. und 7. März 2008) angefertigt wurden, wurden jetzt von den an der Mission beteiligten Wissenschaftlern zu einem Bildmosaik zusammengefügt, welches in seiner finalen Fassung Strukturen von bis zu etwa 17 Metern Größe erkennen lässt.

Der Becquerel-Krater befindet sich in der nördlich des Marsäquators gelegenen Region Arabia Terra, welche eine Übergangszone zwischen dem Marshochland und der weite Teile der nördlichen Marshemisphäre umfassenden nördlichen Tiefebene bildet. Der Krater verfügt über einen Durchmesser von etwa 167 Kilometern und über eine Tiefe von bis zu 3.500 Metern. In seinem Inneren befindet sich ein weiterer, nochmals etwa 500 Meter tiefer reichender Krater. Unmittelbar südlich von diesem erhebt sich ein fast 1.000 Meter hoher Zentralberg, welcher sich aus mehreren hundert, jeweils nur wenige Meter dicken schwefelhaltigen Sedimentschichten zusammensetzt. Diese geschichteten Sedimentgesteine zeugen von der bewegten Klimageschichte unseres Nachbarplaneten.

Benannt wurde der Krater nach dem französischen Physiker Antoine Henri Becquerel (1852-1908), welcher im Jahr 1903 gemeinsam mit dem Ehepaar Marie und Pierre Curie für die Entdeckung der Radioaktivität mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurde und nach dem die physikalische Einheit für die radioaktive Aktivität benannt ist.

Auf dem Boden des Becquerel-Kraters befinden sich ungewöhnliche Sedimentstrukturen. Hierbei handelt es sich um geschichtete, helle Ablagerungen, welche sich im südlichen Bereich des Kraters zu einem fast 1.000 Meter hoher Berg auftürmen, der über sanft geneigte Hänge und eine flache Kuppe verfügt. Ganz ähnliche Ablagerungen konnten von den Planetenforschern auch im Inneren des Gale-Krater nachgewiesen werden, wo am 6. August 2012 der von der US-amerikanischen Weltraumbehörde NASA betriebene Marsrover Curiosity gelandet ist. Nähere Untersuchungen führten zu dem Ergebnis, dass die hellen Ablagerungen in dieser Region aus sulfathaltigen Gesteinen bestehen, welche zum Teil Wasser enthalten. Bei den Sulfaten handelt es sich um Salze oder Ester der Schwefelsäure. Auf der Erde bilden sich Sulfate bei der Verdunstung von Wasser.

Die in der Region Arabia Terra relativ häufig anzutreffenden Sulfate lassen vermuten, dass vor etwa 3,5 bis 3,8 Milliarden Jahren ein einstmals großräumig aktiver Prozess für deren Entstehung verantwortlich war. Es wird angenommen, dass sich diese Sedimente durch ein Zusammenspiel von austretendem Grundwasser in tief liegenden Gebieten – zum Beispiel auf dem Grund von Einschlagskratern – und von Wind transportiertem Staub – möglicherweise in Kombination mit Ascheablagerungen – gebildet haben. Die deutlich erkennbare Abfolge der einzelnen Schichten wird auf jahreszeitlich bedingte Klimaschwankungen oder allgemeine Veränderungen des Marsklimas über größere Zeiträume hinweg zurückgeführt, welche zum Beispiel durch periodisch auftretende Schwankungen in der Ausrichtung der Rotationsachse des Mars ausgelöst werden können.

Diese und andere Theorien werden in der Fachwelt gegenwärtig immer noch intensiv diskutiert. Für eine abschließende Antwort fehlen derzeit immer noch wirklich stichhaltige Argumente und nähere wissenschaftliche Messergebnisse, welche direkt von der Marsoberfläche aus gesammelt werden müssen. In diesem Zusammenhang, so die Erwartung der Planetologen, wird auch der Marsrover Curiosity durch seine Untersuchung des Gale-Kraters wichtige Erkenntnisse liefern.

Auf den am heutigen Tag veröffentlichten Aufnahmen der Raumsonde Mars Express ist die Schichtung innerhalb des hellen Sedimentberges gut erkennbar. Vermutlich war einst der gesamte Boden des Becquerel-Kraters von diesen Sedimenten bedeckt. Sulfathaltige Gesteine sind relativ anfällig für Verwitterung, so dass im Laufe von möglicherweise mehr als drei Milliarden Jahren ein Großteil der geschichteten Sedimentablagerungen aufgrund der erosiven Kräfte von Wind und Wasser abgetragen wurde und ein abgeschliffener, an seinem Gipfel abgerundeter Berg zurückblieb.

Die dunklen Flächen in den Bildern, welche sich speziell im südlichen Bereich des Kraters konzentrieren, zeigen Oberflächenbereiche, welche von einer Schicht aus basaltischen Sanden und vulkanischer Asche bedeckt sind. Vergleichbare Ablagerungen bilden auf dem Mars vielerorts imposante Dünenfelder (Raumfahrer.net berichtete). Die Lage und Ausrichtung dieser dunklen Oberflächenbereiche gibt Aufschlüsse über die einstmals und gegenwärtig dominierenden Windrichtungen in diesem Bereich der Marsoberfläche.

Die weiter oben gezeigte Nadir-Farbansicht des Becquerel-Kraters wurde aus dem senkrecht auf die Planetenoberfläche blickenden Nadirkanal und den vor- beziehungsweise rückwärts blickenden Farbkanälen der HRSC-Stereokamera erstellt. Die perspektivischen Schrägansichten wurden aus den Aufnahmen der Stereokanäle der HRSC-Kamera berechnet. Das weiter unten zu sehende Anaglyphenbild, welches bei der Verwendung einer Rot-Cyan- oder Rot-Grün-Brille einen dreidimensionalen Eindruck der Landschaft vermittelt, wurde aus dem Nadirkanal und einem Stereokanal der Kamera abgeleitet. Des Weiteren konnten die für die Bildauswertung zuständigen Wissenschaftler aus einer höhenkodierten Bildkarte, welche aus den Nadir- und Stereokanälen der HRSC-Kamera errechnet wurde, ein digitales Geländemodell der abgebildeten Marsoberfläche ableiten.

Das HRSC-Kameraexperiment an Bord der ESA-Raumsonde Mars Express wird vom Principal Investigator (PI) Prof. Dr. Gerhard Neukum von der Freien Universität Berlin geleitet. Dieser hat auch die technische Konzeption der hochauflösenden Stereokamera entworfen. Das für die HRSC-Kamera verantwortliche Wissenschaftlerteam besteht aus 40 Co-Investigatoren von 33 Institutionen aus zehn Ländern.

Die HRSC-Kamera wurde am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt unter der Leitung von Prof. Dr. Gerhard Neukum entwickelt und in Kooperation mit mehreren industriellen Partnern (EADS Astrium, Lewicki Microelectronic GmbH und Jena-Optronik GmbH) gebaut. Sie wird vom DLR-Institut für Planetenforschung in Berlin-Adlershof betrieben. Die systematische Prozessierung der Bilddaten erfolgt am DLR. Die Darstellungen der hier gezeigten Mars Express-Bilder wurden von den Mitarbeitern des Instituts für Geologische Wissenschaften der FU Berlin in Zusammenarbeit mit dem DLR-Institut für Planetenforschung erstellt.
Die hier gezeigten Aufnahmen des Becquerel-Kraters finden Sie auch auf der entsprechenden Internetseite der FU Berlin. Speziell in den dort verfügbaren hochaufgelösten Aufnahmen kommen die verschiedenen Strukturen der Marsoberfläche besonders gut zur Geltung.

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