Quelle: TU Berlin 4. Juli 2024.

4. Juli 2024 – Bürgerwissenschaftler*innen können Mikrometeorite auf ihren Hausdächern sammeln und mit einiger Übung in einem Lichtmikroskop identifizieren. Die erfahrensten von ihnen haben nun zusammen mit einem Forscher*innen-Team von der TU Berlin und dem Museum für Naturkunde in Berlin sowie weiteren internationalen Wissenschaftler*innen 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 kümmert sich gleichzeitig als Hausmann um seinen Sohn. Außerdem 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.

Bürgerwissenschaftler identifiziert Mikrometeorite
„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 Dr. 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 Forscher*innen 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.

Von Nasen und Schildkrötenpanzern
In der Probe befanden sich unzählige 100 bis 500 Mikrometer große Kügelchen, von denen die allermeisten im Sprachgebrauch der Forscher*innen eine „anthropogene Kontamination“ darstellten – sprich 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 90 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 Atmosphäre eingedrungen ist, nämlich mit dem Kügelchen voran“, erzählt Feige.

Mikrometeorite können über die Bedingungen im Sonnensystems erzählen
„Es ist immer noch eine große Herausforderung für die Wissenschaft, etwas über den Entstehungsort der auf der Erde gefundenen Mikrometeorite herauszubekommen“, sagt Dr. 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 100 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.“

Flugzeit bis zur Erde
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.

Erstmals Computersimulation zur Analyse
„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 Forscher*innen dabei auf die radioaktiven Isotope Aluminium-26 und Beryllium-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 „Beschleunigermassenspektrometrie“ 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.

Schildkröte vom Rand des Sonnensystems
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 – in einer Entfernung so groß wie etwa 40-mal der Abstand Erde zu Sonne. 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.“

Publikation:
Transport of dust across the Solar System: Constraints on the spatial origin of individual micrometeorites from cosmic-ray exposure
doi.org/10.1098/rsta.2023.0197
https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsta.2023.0197
pdf: https://royalsocietypublishing.org/doi/pdf/10.1098/rsta.2023.0197?download=true

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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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Ein Beitrag von Daniel Schiller. Quelle: ESA.

Durch die natürliche Entwicklung des hochelliptischen 24-Stunden-Orbits hatte sich das Perizentrum unter 180 Kilometer abgesenkt. Diese Nähe eröffnete erneut die Möglichkeit, verschiedene Widerstands- und Gravitationsexperimente in der äußersten Atmosphäre der Venus durchzuführen, bevor der Orbit wieder angehoben werden musste:

• Atmosphärisches-Widerstands-Experiment 3b (ADE 3b)
  Zwischen dem 11. und 16. April 2010 wurden erneut die kumulierten Einflüsse des atmosphärischen Widerstands gemessen. Dabei wurden durch die ESA-Station New Norcia ausschließlich vom Orbiter ausgesandte Trackingdaten erfasst. Das Entladen der Reaktionsräder wurde in die Kommunikationsphasen außerhalb des Perizentrums mit der Station in Cebreros gelegt.
• Kippexperiment der Solarzellen
  Die beiden Solarzellen der Sonde wurden bei Perizentrumspassagen asymmetrisch angestellt. Das so durch den atmosphärischen Widerstand erzeugte Moment konnte in den Reaktionsrädern an Bord gemessen werden, welche die Störung ausglichen. Insgesamt wurden am 3. April und vom 12.-16. April sechs Versuche durchgeführt. Bei jedem Versuch wurde die Asymmetrie der Solarzellen erhöht, und so auch das Störmoment.
• VeRa-Gravitationsexperimente
  Zwischen dem 11. und 16. April 2010 wurden parallel zu den Widerstandsexperimenten tägliche Radio-Science-Messungen der Orbitstörungen durch die Massenverteilung der Venus durchgeführt.

• Orbit-Kontroll-Manöver (OCM)
  Nach dem Abschluss der Widerstandsexperimente war die Perizentrumshöhe fast auf die minimal erlaubten 175 Kilometer abgesunken. Am 17. April 2010 wurde das Perizentrum durch eine Beschleunigung um 5,978 m/s um 96,65 Kilometer angehoben
• Delta Differential One-Way Ranging (DDOR)
  Mit den beiden ESA-Stationen New Norcia und Cebreros wurde die Sonde am 10. April gleichzeitig verfolgt. Durch diese hochgenauen Messungen der Sondenposition sollten die aktuellen Ephemeriden der Venus selbst bestimmt werden.

Insgesamt arbeitet Venus Express weiterhin nominal. Im Lagekontrollsystem sind dabei zwei Besonderheiten aufgetreten. In Reaktionsrad 2 kommt es wiederholt zu höheren Reibungswerten der Lager, während die Sonde zur Erde ausgerichtet ist. Ursache sind erhöhte Temperaturen in dieser Konfiguration. Reaktionsrad 4 zeigte für fünf aufeinander folgende Tage ebenfalls erhöhte Reibungswerte, arbeitet momentan aber wieder nominal. Der Vorfall wird noch untersucht.

Der Beitrag Venus Express – Statusbericht erschien zuerst auf Raumfahrer.net.