Internationaler Asteroidentag | Außerirdische „Gäste“: Bewachen Asteroiden die Geheimnisse der „Kindheit“ des Sonnensystems?

Heute ist der Internationale Asteroidentag. Gemäß der vom National Committee for the Examination of Scientific and Technological Terminology genehmigten geophysikalischen Terminologie ist ein Asteroid ein Himmelskörper im Sonnensystem, der die Sonne umkreist und dessen Größe und Masse weitaus kleiner sind als die der acht Planeten. Verglichen mit dem riesigen Universum oder sogar unserem Sonnensystem sind Asteroiden nur ein Tropfen auf den heißen Stein. Tatsächlich hüten Asteroiden jedoch die Geheimnisse der „Kindheit“ des Sonnensystems.

Abbildung 1. Künstlerische Darstellung der Sonne in ihrer Entstehung und der sie umgebenden Planetenscheibe. (Bildquelle: ESO)

01Ein Fragment eines Asteroiden, der seit Milliarden von Jahren schwebt

Als die Sonne gerade geboren wurde, war sie von einer Planetenscheibe aus Staub und Gas umgeben. Die Planeten wurden in dieser Scheibe geboren, die zu 99 % aus Gas und nur zu 1 % aus festen Partikeln bestand. Die meisten Gase werden nach und nach von der Sonne angesammelt, während der feste Staub kollidiert und kondensiert und zu Kies, Gestein usw. wird. Sie werden immer größer und können schließlich zu Gesteinsplaneten wie unserer Erde, Zwergplaneten, Satelliten und zahlreichen Asteroiden werden. Darüber hinaus gibt es einige Gesteinsfragmente, die weiterhin durch das Sonnensystem wandern, entweder zurückgelassen oder durch Asteroidenkollisionen entstanden. Durch Zufall wird er von der Schwerkraft der Erde erfasst und verwandelt sich in einen Meteor, der auf die Erde fällt. Wenn er nicht in der Atmosphäre verglüht, wird er zum häufigsten Meteoriten auf der Erde – einem Chondrit.

Eines Nachts im Jahr 1940 stürzte ein seit Milliarden von Jahren in der Luft schwebendes Stück Asteroidentrümmer auf die Erde. Die heftige Reibung mit der Luft erzeugte ein blendendes Licht, das die Stille der Nacht durchbrach und schließlich in ein kleines Dorf namens Semarkona in Nordindien fiel. Der Meteorit erhielt daher den Namen Semarkona und wog 691 Gramm. Der Semarkona-Meteorit gehört zur seltensten Unterklasse der gewöhnlichen Chondriten, und erst mehr als 70 Jahre später wurde der zweite Meteorit dieser Unterklasse entdeckt. Meteoriten dieser Unterklasse haben die geringsten Veränderungen erfahren und befinden sich in ihrem ursprünglichsten Zustand. Sie können daher Einblicke in die Umgebung und Bedingungen bei der Entstehung des Sonnensystems geben. Nach der Entdeckung des Semarkona-Meteoriten führten Wissenschaftler umfangreiche Forschungsarbeiten durch. Bis heute gibt es zahlreiche Studien zum Semarkona-Meteoriten, die uns die Geheimnisse der Entstehung des Sonnensystems enthüllen.

Abbildung 2. Der Semarkona-Meteorit, der als einer der primitivsten Meteoriten gilt, enthält eine große Anzahl millimetergroßer Chondren. Das Bild zeigt einen 1,5 cm großen Querschnitt. (Bildnachweis: THE PLANETARY SOCIETY)

02 Wie man das Alter des Semarkona-Meteoriten misst

Der Zerfall radioaktiver Isotope dient der Natur als Uhr. Meteoriten enthalten Spuren radioaktiver Isotope und ihrer Zerfallsprodukte. Durch ihre Messung können Wissenschaftler feststellen, wann die Meteoriten entstanden sind. Was sind radioaktive Isotope? Aluminium ist ein in unserem täglichen Leben sehr verbreitetes Metallelement. Cola-Dosen bestehen beispielsweise aus Aluminium. Stellen Sie sich den Kern eines Aluminiumatoms als einen kleinen Raum vor, der mit Protonen (positiv geladenen Teilchen) und Neutronen (ungeladenen Teilchen) gefüllt ist. Gewöhnliche Aluminiumatome, die wir Aluminium-27 nennen, weil sie 13 Protonen und 14 Neutronen in ihrem Kern haben, sind sehr stabil, wie eine harmonische Familie. Aluminium-26 ist ein Isotop von Aluminium. In seinem Kern fehlt ein Neutron, was diese Kombination instabil macht. Anschließend gibt es Energie und Partikel ab, um stabiler zu werden. Dieser Vorgang wird als radioaktiver Zerfall bezeichnet. Aluminium-26 wird zu einem anderen stabilen Element, Magnesium-26, das 12 Protonen und 14 Neutronen enthält. Aluminium-26 ist daher ein radioaktives Isotop von Aluminium. Dieser Zerfallsprozess ist sehr langsam. Die Halbwertszeit von Aluminium-26 beträgt etwa 720.000 Jahre. Das heißt: Wenn Sie jetzt einen Haufen Aluminium-26 haben, wird es 720.000 Jahre dauern, bis die Hälfte des Aluminium-26 seinen Transformationsprozess abgeschlossen hat.

Calcium-Aluminium-reiche Einschlüsse sind Mineralien, die reich an Calcium und Aluminium sind und den Hauptbestandteil von Chondriten bilden. Es handelte sich um die erste Ansammlung fester Materie, die im Sonnensystem entstand. Daher wird ihr Entstehungszeitpunkt üblicherweise auf den Zeitpunkt Null der Entstehung des Sonnensystems vor etwa 4,567 Milliarden Jahren gelegt. Dieses Alter wird durch den Zerfall von Uran-238 und Uran-235 gemessen, deren Halbwertszeiten 4,468 Milliarden Jahre bzw. 704 Millionen Jahre betragen, und die Zerfallsprodukte sind Blei-206 und Blei-207, weshalb diese Methode auch als „Blei-Blei“-Datierungsmethode bezeichnet wird. Wie der Name schon sagt, sind Calcium-Aluminium-Einschlüsse reich an Aluminium. Messungen haben ergeben, dass bei der Bildung von Calcium-Aluminium-Einschlüssen das Verhältnis von Aluminium-26 zu Aluminium-27 etwa eins zu zwanzigtausend beträgt. Bei Chondriten können Wissenschaftler das Verhältnis von Aluminium-26 zu Aluminium-27 messen, als sich die Chondren bildeten. Aus diesem Verhältnis und der Halbwertszeit von Aluminium-26 können sie auf den Zeitpunkt schließen, zu dem sich die Chondren im Verhältnis zu den kalzium- und aluminiumreichen Einschlüssen gebildet haben. Die Analyse verschiedener Chondren im Semarkona-Meteoriten ergab, dass die Chondren zwischen 1 und 3 Millionen Jahren nach der Bildung der kalzium- und aluminiumreichen Einschlüsse entstanden und dass in diesem Zeitraum durch verschiedene thermische Schmelzvorgänge vor 1,2, 1,6, 2,1, 2,4 und 2,9 Millionen Jahren Chondren entstanden.

03 Werden Supernova-Explosionen in Meteoriten aufgezeichnet?

Darüber hinaus ist es durch die Messung der Spuren radioaktiver Isotope und ihrer Zerfallsprodukte in Meteoriten möglich, den Zustand der Meteoriten und die Umgebung zu untersuchen, der sie bei ihrer Entstehung ausgesetzt waren, also die Planetenscheiben des Sonnensystems oder sogar noch früher. So gibt es beispielsweise viele Theorien über die Herkunft des oben erwähnten Aluminium-26. Eine davon ist, dass eine Supernova-Explosion in der Nähe radioaktives Aluminium-26 mit sich brachte.

Eisen-60 ist ein radioaktives Eisenelement, das zu Nickel-60 zerfällt. Durch die Analyse der Verhältnisse von Nickel-60, Nickel-58 und Eisen-56 im Semarkona-Meteoriten gelangten Wissenschaftler zu dem Schluss, dass der Eisen-60-Gehalt bei der Entstehung des Meteoriten sehr hoch war. Dies deutet darauf hin, dass das Nebelmaterial in den frühen Stadien der Entstehung des Sonnensystems einen Überschuss an Eisen-60 enthielt und dass dieses weder aus der Strahlung der neugeborenen Sonne auf das Nebelmaterial noch aus einer Vermischung mit interstellarer Materie stammen kann. Wissenschaftler gehen davon aus, dass der wahrscheinlichste Grund für diesen Überschuss an Eisen-60 darin liegt, dass bei der Entstehung des Sonnensystems eine Supernova-Explosion in unmittelbarer Nähe des Sonnensystems neu synthetisiertes Eisen-60 mit sich brachte. Weitere numerische Simulationen zeigten, dass eine Supernova-Explosion in einem Stern mit etwa der 20-fachen Masse der Sonne stattfand, etwa 3 Lichtjahre vom Sonnensystem entfernt. Die dabei entstehende Schockwelle schleuderte das bei der Explosion entstandene Eisen-60 in das junge Sonnensystem, und die später entstandenen Asteroiden wurden alle durch diese Supernova-Explosion geprägt.

Der Weg zur wissenschaftlichen Entdeckung ist jedoch mit vielen Hindernissen gepflastert. Spätere Studien ergaben, dass der Eisen-60-Gehalt im Nebel, aus dem das Sonnensystem entstand, und in der Planetenscheibe, aus der die Planeten entstanden, nicht hoch war und 100-mal niedriger war als bei früheren Ergebnissen. Die Gründe hierfür sind unter anderem: Erstens wurde erst 2009 festgestellt, dass die Halbwertszeit von Eisen-60 nicht wie bisher angenommen 1,5 Millionen Jahre, sondern 2,6 Millionen Jahre beträgt. zweitens wiesen einige frühere Forschungsarbeiten einige Probleme auf, darunter bei Instrumenten, Proben und statistischen Analysemethoden. Daher gibt es derzeit große Kontroversen über den Eisen-60-Gehalt des Semarkona-Meteoriten. Manche Leute glauben, dass diese Kontroverse auf die ungleiche Verteilung von Eisen-60 zurückzuführen sein könnte. Ich hoffe, dass uns nachfolgende Forschungen dabei helfen können, das Rätsel zu lösen, ob es in den frühen Tagen der Entstehung des Sonnensystems eine Supernova-Explosion in unmittelbarer Nähe gab.

Abbildung 3. Künstlerische Darstellung einer Supernova-Explosion. (Bildnachweis: Melissa Weiss/CfA)

04 Meteoriten zeichnen das Magnetfeld des Nebels auf

10 % der Chondren im Semarkona-Meteoriten enthalten Olivin-Mineralkörner, die mikrometergroße Eisen-Nickel-Metalle enthalten, die magnetisiert werden, wenn sie einem Magnetfeld ausgesetzt werden. Aufgrund der einzigartigen Zusammensetzung, Größe und magnetischen Eigenschaften der Olivinmineralpartikel behalten sie das Magnetfeld, in dem sie ursprünglich magnetisiert wurden. Durch die Messung des Magnetfelds der Olivinmineralkörner im Semarkona-Meteoriten können wir daher das Umgebungsmagnetfeld ermitteln, das zum Zeitpunkt der Entstehung dieser Meteoritenchondren vorlag.

Wissenschaftler verwendeten ein Magnetometer, das auf supraleitender Technologie basiert, um das Magnetfeld der Olivinmineralien in den Chondren des Semarkona-Meteoriten sehr genau zu messen. Es betrug ungefähr 54 Mikrotesla, und die Magnetfeldrichtungen der verschiedenen Chondren sind zufällig verteilt, was darauf hindeutet, dass diese Chondren magnetisiert wurden, bevor sie zu Asteroiden verschmolzen. Darüber hinaus wird gefolgert, dass das Magnetfeld des Sonnennebels zum Zeitpunkt der Entstehung dieser Chondren etwa 5 bis 54 Mikrotesla betrug und damit 100.000 Mal größer ist als das Magnetfeld des heutigen interstellaren Raums.

Diese Magnetfeldmessung löste auch ein Rätsel, das Wissenschaftlern jahrzehntelang Kopfzerbrechen bereitet hatte. Planetenscheiben existieren seit etwa Millionen von Jahren. Welcher Mechanismus ermöglicht es, dass das gesamte Gas in so kurzer Zeit auf die Sonne fällt? Wissenschaftler spekulieren, dass bestimmte Mechanismen, an denen Magnetfelder beteiligt sind, dazu führen können, dass Gas schnell in die Sonne fällt, wie etwa eine magnetische Rotationsinstabilität. Messergebnisse zeigen, dass das Material der ursprünglichen Planetenscheibe über ein ausreichendes Magnetfeld verfügt, um das Gas in der Planetenscheibe so zu beschleunigen, dass es in Richtung Sonne fällt, und so diesen Magnetfeldmechanismus unterstützt.

Abbildung 5. Künstlerische Darstellung einer protoplanetaren Scheibe mit einem durchgehenden Magnetfeld. Bei den kugelförmigen Partikeln handelt es sich um millimetergroße Chondren. (Bildnachweis: Hernán Cañellas)

Ein Asteroidenfragment fiel versehentlich auf die Erde und wurde zum Semarkona-Meteoriten. Dieser Meteorit ist wie ein Band, das so viele Informationen über die Entstehung des Sonnensystems aufzeichnet. Anlässlich des Internationalen Asteroidentags erhalten wir durch Asteroiden erneut einen Einblick in die unendlichen Geheimnisse des Universums.

Quellen:

1. Homogene Verteilung von 26Al im Sonnensystem anhand der Mg-Isotopenzusammensetzung von Chondren | Wissenschaft

2. 60Fe: Eine Wärmequelle für die Planetendifferenzierung aus einer nahegelegenen Supernova-Explosion – NASA/ADS (harvard.edu)

3. Radioaktive Sonden des durch Supernovae verseuchten Sonnennebels: Beweise dafür, dass die Sonne in einem Cluster geboren wurde – NASA/ADS (harvard.edu)

4. Kurzlebige Nuklide im frühen Sonnensystem: Häufigkeit, Ursprung und Anwendung | Jahresberichte

5. Im Semarkona-Meteoriten aufgezeichnete Magnetfelder des Sonnennebels | Wissenschaft

Autor: Yan Zhen, Forscher am Shanghai Astronomical Observatory, Chinesische Akademie der Wissenschaften

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