Zeitaufgelöster Nachweis eines Supernova-Signals in Mikrofossilien der Erde

Supernova-Eisen auf der Erde nachweisbar

Unter den Atomarten, die in solchen massereichen Sternen produziert werden, spielt das Radioisotop Eisen-60 eine besondere Rolle, denn dieses kommt auf der Erde natürlicherweise nicht vor. Bei Fe-60, das auf der Erde gefunden wird, handelt es sich daher um Sternexplosions-Material, verursacht durch eine Supernova, die in der Nähe unseres Sonnensystems stattgefunden hat.

Funde auch auf dem Mond

Bereits früher konnten TUM-Wissenschaftler eine erhöhte Eisen-60-Konzentration in Proben einer etwa zwei Millionen Jahre alten Eisen-Mangan-Tiefseekruste aus dem Pazifischen Ozean nachweisen und erst kürzlich auch in Proben von Mond-Gestein. Beide Funde wurden einer Supernova zugeschrieben. Der Zeitverlauf der Anlagerungen konnte bisher allerdings nicht genau analysiert werden, weil die untersuchte Eisen-Mangan-Tiefseekruste sehr langsam anwächst. Mond-Material wiederum lässt sich zeitlich nicht einordnen, weil dort aufgrund der fehlenden Atmosphäre keine Sedimentation stattfindet.

Nun ist es Physikern um Shawn Bishop, Professor für Nukleare Astrophysik an der TUM, gelungen, den zeitlichen Verlauf der Supernova-Anlagerungen anhand von Mikrofossilien in zwei Bohrproben aus dem Pazifischen Ozean zu verfolgen. Die Forscher konnten zeigen, dass in ihren Proben vor rund 2,7 Millionen Jahren erstmals Supernova-Eisen nachweisbar ist. Die erhöhte Fe-60-Konzentration erreichte vor rund 2,2 Millionen Jahren ihren höchsten Wert und verschwand vor rund 1,5 Millionen Jahren wieder.

“Offenbar ist unser Sonnensystem für die Dauer von gut einer Million Jahre durch ein Gebiet mit Sternexplosions-Resten gezogen und hat während dieser Phase das Eisen-60 eingesammelt”, sagt Bishop, der auch Wissenschaftler des Exzellenzclusters Universe ist.

Proben mit besonderen Eigenschaften

Um die zeitliche Struktur der Fe-60-Einträge so genau bestimmen zu können, benötigten die Forscher geologische Proben von besonderer Güte: Das Gesteinsmaterial muss Schichten besitzen, die sich besonders gut voneinander abheben. Außerdem muss darin besonders viel Eisen-60 gespeichert und bewahrt worden sein, so dass es heute - abgesehen vom radioaktiven Zerfall des Fe-60 – noch nahezu so vorzufinden ist, wie zum Zeitpunkt des Eintrags auf der Erde.

Untersuchung am Tandem-Beschleuniger in Garching

Diese Bedingungen sind in den Meeressedimenten gegeben, die in dieser Untersuchung benutzt wurden. Zum Zeitpunkt der Anlagerung haben im Ozeansediment lebende, Eisenliebende Bakterien das Fe-60 in Ketten von Magnetit-Nanokristallen (Fe3O4) eingebaut. Nach dem Zelltod der Bakterien sind diese zu Mikrofossilien versteinert. Die Sedimente sind mit einer sehr langsamen Sedimentationsrate gewachsen und haben auf diese Weise den zeitlichen Verlauf des Supernova-Signals gespeichert.

“Dennoch ist auch in diesen Magnetit-Kristallen die Fe-60-Konzentration so gering, dass sie nur mit Hilfe der ultrasensitiven Beschleuniger-Massenspektroskopie überhaupt nachweisbar ist”, sagt Dr. Peter Ludwig, Wissenschaftler in der Gruppe von Bishop. Am Tandem-Beschleuniger am Maier-Leibniz-Laboratorium in Garching konnten die Physiker die Empfindlichkeit der Methode zusätzlich so weit steigern, dass die Entdeckung möglich war.

Supernova mindestens 300 Lichtjahre entfernt

Es wird vermutet, dass die nun nachgewiesene Sternexplosion dem Sternverband Scorpius-Centaurus OB entstammt, der, vor rund 2,3 Millionen Jahren mit etwa 300 Lichtjahren seine geringste Entfernung zu unserem Sonnensystem aufwies. In den vergangenen 10 bis 15 Millionen Jahren haben sich in diesem Sternverband rund 15 bis 20 Supernovae ereignet. Diese Serie von gewaltigen Sternexplosionen hat einen weitgehend materiefreien Hohlraum im interstellaren Medium eines galaktischen Arms der Milchstraße erzeugt. Astronomen nennen diesen Hohlraum, in dem sich auch unser Sonnensystem befindet, die Lokale Blase.

Neben den TUM-Physikern waren an der Entdeckung beteiligt: Wissenschaftler der Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik, Fachgebiet Geomagnetismus und Gravimetrie, Wien, des Chemie-Departments der TUM, Fachgebiet Elektronenmikroskopie, sowie Forscher des Helmholtz-Instituts für Ressourcentechnologie Freiberg, das zum Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf gehört.

Die Forschungsarbeit wurde finanziell unterstützt von der Deutschen Forschungsgemeinschaft und vom Exzellenzcluster Universe.

Redaktion

Petra Riedel (Universe) / S. Reiffert (TUM) / Dr. Johannes Wiedersich