Sonnensystem: Mehr Supernova, weniger Roter Riese

Das Bild zeigt das älteste dokumentierte Beispiel einer Supernova. X-ray: NASA/CXC/SAO & ESA; Infared: NASA/JPL-Caltech/B. Williams (NCSU)
Das Bild zeigt das älteste dokumentierte Beispiel einer Supernova. X-ray: NASA/CXC/SAO & ESA; Infared: NASA/JPL-Caltech/B. Williams (NCSU)

Mainz, 11. Juni 2019

Meteoritenanalysen zeigen, dass unser Sonnensystem aus doppelt so viel Supernova-Staub besteht als bisher angenommen.

Für Wissenschaftler sind Meteoriten wertvolle Zeugen aus der Frühzeit unseres Sonnensystems. Sie bestehen aus den ältesten Bausteinen unseres Planetensystems, enthalten aber auch Einschlüsse winziger Sternenstaubkörnchen, die älter sind als unsere Sonne. Die häufigste Art von Sternenstaub sind Silikatkörner von wenigen hundert Nanometern Größe. Der in den Meteoriten mitreisende Sternenstaub stammt zum Großteil aus den Resten von Roten Riesensternen. Ein kleinerer, aber signifikanter Teil des Sternenstaubs stammt aus Supernova-Explosionen.

Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Chemie konnten jetzt zeigen, dass der Anteil des Silikat-Sternenstaubs, der aus Supernovae stammt, in den Meteoriten etwa doppelt so hoch ist wie bisher angenommen. Sie schätzen ihn auf 25 bis 30 Prozent. Daraus leiten sie ab, dass die Staub- und Gaswolke, aus der unser Sonnensystem vor 4,6 Milliarden Jahren entstand, etwa ein Prozent „echten“ Supernovastaub enthielt.

„Wir konnten mit unserer Studie zeigen, dass ein nicht zu vernachlässigender Anteil der in Meteoriten gefundenen präsolaren Sternenstaubkörnchen, von denen man annahm, dass sie von Roten Riesensternen stammen, stattdessen in Supernova-Explosionen entstanden sind“, sagt Physiker Jan Leitner.

Die Abbildung zeigt das Isotopenhäufigkeitsverhältnis für Magnesium-25 zu Magnesium-24 für ein 2×2 Mikrometer großes Gebiet im Meteoriten NWA 6957. Der weiße Pfeil markiert eines der Magnesium-25-reichen Sternenstaubkörner, die in dieser Studie untersucht wurden.
Die Abbildung zeigt das Isotopenhäufigkeitsverhältnis für Magnesium-25 zu Magnesium-24 für ein 2×2 Mikrometer großes Gebiet im Meteoriten NWA 6957. Der weiße Pfeil markiert eines der Magnesium-25-reichen Sternenstaubkörner, die in dieser Studie untersucht wurden.

Der Nachweis gelang den Mainzer Wissenschaftlern durch die präzise Bestimmung der Sauerstoff- und Magnesium-Isotopenverhältnisse in Silikat-Sternenstaubkörnern. Es zeigte sich, dass die Magnesium-Isotopenzusammensetzungen in einigen der untersuchten Silikat-Sternenstaubkörner durch die Nova-Modelle erklärt werden können, nicht jedoch deren Sauerstoff-Isotopenverhältnisse. Letztere können zwar durch Modelle für Rote Riesensterne erklärt werden, nicht aber die gefundenen Magnesium-Isotopenzusammensetzungen. Einzig neuere Supernova-Modelle treffen Aussagen, die sowohl die gemessenen Isotopenzusammensetzungen von Magnesium als auch die von Sauerstoff sehr gut erklären.

Die Forscher erklären dieses Phänomen damit, dass die Kernfusionsprozesse, die bei Supernovae, Novae und Roten Riesen ablaufen, jeweils unter anderen Bedingungen stattfinden. Dadurch entsteht für eine Vielzahl von Elementen eine ganz charakteristische Isotopensignatur, die in den Silikat-Körnern einen spezifischen „Fingerabdruck“ hinterlässt.

Die ursprüngliche Annahme, dass der weitaus größte Teil des Sternenstaubs aus Roten Riesen stammt, beruht auf Analysen der Verhältnisse der Sauerstoffisotope in den Silikatkörnern, die sich auf eine ganz charakteristische Art und Weise von denjenigen unserer Sonne unterscheiden.

Die untersuchten Sternenstaubkörner wurden in verschiedenen Meteoriten entdeckt, die man in der Antarktis und der Sahara fand. Im Rahmen einer vorhergehenden Studie hatten die Max-Planck-Forscher die Sternenstaubkörner anhand ihrer anomalen Sauerstoff-Isotopenzusammensetzung identifiziert und daraus die Häufigkeit von Sternenstaub in den Meteoriten bestimmt.

Der Nachweis gelang den Max-Planck-Forschern mit Hilfe eines speziellen Massenspektrometers, der sogenannten NanoSIMS. Mit diesem Gerät kann man die Isotopenzusammensetzung von Materialien auf einer Größenskala von 50-100 Nanometern ermitteln. Die präzisen Messungen der Magnesiumisotope wurden erst durch den Einbau einer neuartigen Ionenquelle vor anderthalb Jahren möglich. Zuvor stand nur ein Ionenstrahl zur Verfügung, der größer war als die zu untersuchenden Sternenstaubkörnchen, weswegen die Messergebnisse durch das umgebende Material verfälscht wurden.

Glossar: 

Als Supernova bezeichnen Astronomen das kurzzeitige, helle Aufleuchten eines Sterns, der deutlich schwerer ist als unsere Sonne, durch eine Explosion am Ende seiner Lebenszeit. Dadurch wird der ursprüngliche Stern vernichtet und ein Großteil seiner Materie in den interstellaren Raum geweht. Zurück bleibt ein Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch.

Rote Riesen sind „alternde“ Sterne, deren Masse vergleichbar der unserer Sonne ist und die als Weißer Zwerg enden, einem kleinen, sehr kompakten Stern, nachdem ein Großteil ihrer Materie in den interstellaren Raum abgestoßen wurde. Unsere Sonne wird in einigen Milliarden Jahren auch zu einem Roten Riesenstern werden und dabei die Sauerstoff-Isotopenzusammensetzung an ihrer Oberfläche verändern.

Bei einer Nova-Explosion wird wasserstoffreiches Material von einem Begleitstern auf die Oberfläche eines Weißen Zwergs übertragen und dort explosiv verbrannt.