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TU Berlin

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Forschung

Galaktische Archäologie

Mittwoch, 25. Mai 2016

Wissenschaftler erforschen, wann Supernovae in der Nähe der Erde explodierten

Verteilung des Eisenisotops 60Fe, das vor 2,2 Millionen Jahren durch mehrfache Supernova-Explosionen in der Umgebung der Erde in den interstellaren Raum geschleudert wurde. Diese „Lokale Blase“, in die unser Sonnensystem mit der Erde eingebettet ist (am r
Lupe

Wenn ein großer Stern stirbt, dann tut er das in einer gewaltigen Explosion, einer sogenannten Supernova. Die Strahlungs- und Teilchenenergie, die dabei frei wird, überstrahlt alle Sterne in einer Galaxie für kurze Zeit und ist dann für einige Wochen sogar am Taghimmel zu sehen. 16 solcher Supernovae gab es in den letzten 13 Millionen Jahren in der Nähe unseres Sonnensystems. Das hat nun ein Forscherteam vom Zentrum für Astronomie und Astrophysik der TU Berlin unter Leitung von Prof. Dr. Dieter Breitschwerdt mit Hilfe ausgefeilter Modellrechnungen nachgewiesen.

Die Forscher arbeiteten dabei eng mit Wissenschaftlern vom Zentrum für Astronomie der Universität Heidelberg und dem Department of Mathematics der Universität Évora (Portugal) zusammen. Sie nutzten das radioaktive Eisenisotop 60

Fe als Indikator für Entfernung und Zeitpunkt der Explosionen. Es wird nur in Riesensternen und Supernovae fusioniert und kommt auf der Erde natürlicherweise praktisch nicht vor. Nun wurden diese Ergebnisse in „Nature“ veröffentlicht, zusammen mit dem Artikel einer zweiten internationalen Forschergruppe der Australian National University unter Federführung von Dr. Anton Wallner, die genaue Messungen von 60Fe an mehreren Sedimentproben im Ozeanboden vorgenommen hat. Beteiligt an beiden Publikationen ist Dr. Jenny Feige, Astrophysikerin an der TU Berlin, die zusammen mit Anton Wallner (siehe unten) forschte.

„Am Ende ihres Lebens produzieren massereiche Sterne viele neue Elemente, unter anderem langlebige radioaktive Isotope wie 60Fe. Sie sind die Chemiefabriken des Universums, die durch Kernfusion alle schwereren Elemente als Helium synthetisieren“, erklärt Professor Dieter Breitschwerdt. „Das 60Fe, das bei einer Explosion in den interstellaren Raum geschleudert wird und so auch auf die Erde gelangen kann, hat eine Halbwertzeit von 2,6 Millionen Jahren und verschwindet so recht ,schnell‘ von der Erdoberfläche.“

Geheimnisse aus den Tiefen der Ozeane

1999 konnte extraterrestrisches 60Fe auf unserem Planeten nachgewiesen werden: in den Mangankrusten auf dem Grund des Pazifischen Ozeans. Diese verändern sich sehr langsam, so dass die aufgewachsenen Schichten eine zeitliche Verteilung des 60Fe wiedergeben, ähnlich wie Baumringe. 2004 zeigte dann eine genauere Messung ein sehr deutliches Signal, dessen Entstehung 2,2 Millionen Jahre zurückliegt.

Das gefundene 60Fe hängt eng mit der Entstehung der sogenannten „Lokalen Blase“ zusammen. Dabei handelt es sich um eine 600 x 600 x 1200 Lichtjahre große Region, in die unser Sonnensystem eingebettet ist, die mit heißem Gas gefüllt ist und die weiche Röntgenstrahlung emittiert. Dort herrschen Temperaturen zwischen 100 000 und mehreren Millionen Grad. Röntgenstrahlen, die die Erde erreichen, werden schon in den oberen Schichten der Atmosphäre absorbiert und sind daher ungefährlich. Schon seit mehreren Jahren beschäftigt sich das Team von Prof. Dr. Dieter Breitschwerdt und seinen wissenschaftlichen Mitarbeitern Dr. Jenny Feige und Dr. Michael Schulreich sowie Prof. Dr. Miguel Avillez (Évora), Christian Dettbarn und Prof. Dr. Burkhard Fuchs (Heidelberg) mit der Entstehung dieser „Lokalen Blase“. Sie konnten nun erstmalig quantitativ den Zusammenhang herstellen zwischen der Entstehung der „Lokalen Blase“ durch Supernovae und dem 60Fe, das auf dem Ozeanboden gefunden wurde. Aus Daten des Astrometrie-Satelliten Hipparcos und einem Katalog für Radialgeschwindigkeiten, kompiliert am Astronomischen Recheninstitut, konnte nun die vollständige Raumbewegung aller Sterne in einem Volumen von 1200 Lichtjahren Durchmesser berechnet werden. So fand man eine Bewegungsgruppe von Sternen, in der in den letzten 13 Millionen Jahren Supernovae explodiert sind.

Sternenexplosionen hinterlassen ihre Spuren auf der Erde

Man weiß, dass Sterne in einer solchen Gruppe gemeinsam entstanden und daher gleich alt sind. Die noch vorhandenen Sterne einer Gruppe geben folglich aufgrund bestimmter Berechnungen, Gesetze und Beobachtungen Aufschluss darüber, wie viele Sterne mit welcher Masse bereits explodiert sind und wann das war. „Der heutige Aufenthaltsort der Bewegungsgruppe in der Scorpius-Centaurus-Assoziation wiederum gibt durch Berechnungen der Raumbewegung unter Berücksichtigung der Hipparcos-Daten preis, wo genau die Explosionen stattfanden“, so Dieter Breitschwerdt.

Über mehrere Jahre führte das Team sowohl analytische als auch hochaufgelöste numerische Rechnungen und Simulationen zur Entstehung der „Lokalen Blase“, auch einer Nachbarblase namens „Loop I“, sowie zum 60Fe-Transport von der betreffenden Supernova bis zur Erde durch. Etwa 16 Supernovae in den letzten 13 Millionen Jahren, so konnten sie zeigen, haben die „Lokale Blase“ erzeugt und das 60Fe zur Erde transportiert, das auf dem Ozeanboden gefunden wurde. Etwa die Hälfte des gemessenen 60Fe stammt von zwei Supernovae, die vor 2,3 beziehungsweise 1,5 Millionen Jahren in den heutigen Sternbildern Lupus (Wolf) und Libra (Waage) explodiert sind. Die andere Hälfte trugen 14 weiter entfernte Sternexplosionen bei. Die nächsten Supernovae, deren Sterne etwa das Neunfache der Sonnenmasse hatten, fanden 270 beziehungsweise 300 Lichtjahre entfernt statt – weit genug, um keine direkte Schädigung unserer Biosphäre zu hinterlassen.

In direktem Zusammenhang damit stehen auch die in dem zweiten „Nature“-Artikel veröffentlichten Untersuchungen der Australian National University, geleitet von dem Physiker Dr. Anton Wallner, an denen auch deutsche, österreichische, israelische und japanische Forscher beteiligt waren. Koautorin ist auch hier die TU-Wissenschaftlerin Dr. Jenny Feige. Mehrere Sedimentproben, Manganknollen und -krusten aus Pazifik, Südatlantik und Indischem Ozean, die als sogenannte Tiefseearchive fungieren, wurden auf Isotopengehalt und Alter geprüft. Das gemessene 60Fe fand sich in bestimmten Altersschichten und stammt aus mehreren Supernova-Explosionen vor 1,7 bis 3,2 Millionen Jahren sowie vor 6,5 bis 8,7 Millionen Jahren. Das Alter der Schichten wiederum wird mit Hilfe der terrestrischen Radioisotope 10Be und 26Al bestimmt. „Man kann also davon ausgehen, dass das 60Fe global vorkommt, da es an verschiedenen Orten in den Ozeanen gefunden wurde“, so Professor Dieter Breitschwerdt. „So können wir mit präzisen Labormessungen und theoretischen Modellrechnungen galaktische Archäologie in der Umgebung unseres Sonnensystems betreiben.“

Die beiden Publikationen sind zu finden unter:
The locations of recent supernovae near the Sun by modeling 60Fe transport
DOI: 10.1038/nature17424

Recent near-Earth supernovae probed by global deposition of interstellar radioactive 60Fe
DOI: 10.1038/nature17196

  

Von Planeten und Sternen

„Sternengucker“ können zur „Langen Nacht der Wissenschaften“ am 11. Juni 2016 im „Haus der Physik“ den Berliner Nachthimmel mit dem Übungsteleskop beobachten, sich im Cosmic Cinema in den Bann der Sterne ziehen lassen und sich in Vorträgen über die aktuellen Forschungsgebiete des Zentrums für Astronomie und Astrophysik informieren.

www.lndw.tu-berlin.de

Patricia Pätzold "TU intern" Mai 2016

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