Der Raum zwischen den Sternen ist nicht leer, sondern angefüllt mit interstellarer Materie - Gas und Staubkörnchen. Doch Staub ist nicht gleich Staub: Ein internationales Team aus 33 Forschungseinrichtungen, darunter das Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz, hat nun festgestellt, dass die Struktur und chemische Zusammensetzung von interstellaren Partikeln, welche die Stardust-Sonde eingesammelt hat, eine hohe Diversität besitzt.
2006 war ein bedeutendes Jahr für die Erforschung unseres Sonnensystems: Die NASA-Raumsonde Stardust brachte neben Kometenstaub auch kleinste Mengen an Material aus dem riesigen Raum zwischen den Sternen mit zur Erde. Wissenschaftlich bedeutsam ist dieser interstellare Staub aus mehreren Gründen: Er bricht das Licht von Sternen und lässt so Rückschlüsse auf die Größe des Universums zu. Außerdem liefert er das Rohmaterial für die Bildung von Sternen und Planeten und dient als Katalysator für die Entstehung von Molekülen.
Nun haben Forscher einer internationalen Gruppe aus den Proben von Stardust sieben Staubpartikel mit einer Gesamtmasse von wenigen Pikogramm (Billionstel Gramm) identifiziert. Auch wenn Partikelzahl und -masse gering erscheinen, ist das außerirdische Material für Peter Hoppe vom Max-Planck-Institut für Chemie wissenschaftliches Neuland: "Es ist das erste Mal, dass wir neuzeitlichen interstellaren Staub auf der Erde untersuchen konnten."
Bisher ließ sich das außerirdische Material nur indirekt über spektroskopische Beobachtungen analysieren. "Wir haben festgestellt, dass die Größe, die elementare Zusammensetzung und die Struktur der Partikel extrem unterschiedlich sind. Das hatten wir nicht erwartet", sagt der Mainzer Forscher.
Dabei ist der Begriff neuzeitlich für Astrophysiker wie Hoppe relativ, da die durchschnittliche Lebensdauer eines Staubteilchens im interstellaren Raum bei etwa 500 Millionen Jahren liegt - im Vergleich zu unserem 4,6 Milliarden Jahre alten Sonnensystem ist das durchaus eine kurze Zeitspanne.
Entgegen den Vorhersagen waren zwei Staubkörper kristallin und nicht amorph, also ohne geordnete Struktur der Atome. "Eine kristalline Struktur hatten wir bei höchstens zwei Prozent des Staubs erwartet", sagt Jan Leitner aus dem Team von Peter Hoppe. Nach den bisherigen Theorien wird ein Großteil der kristallinen Körner nämlich im interstellaren Raum durch hochenergetische kosmische Strahlung und Schockwellen zerstört oder in amorphen Staub umgewandelt.
Um die Staubteilchen einzusammeln, war die Stardust-Sonde mit einem speziellen Partikelsammler ausgestattet: Auf der Sondenoberseite ragte ein tennisschlägergroßes rundes Gitter ins Weltall, das die Staubkörner auf der Oberfläche auffing. Die Streben des Gitters waren dabei mit einer Aluminiumfolie umwickelt. In den Zwischenräumen befand sich ein speziell entwickelter Glasschaum, der die Partikel beim Auftreffen bremste und somit ihre Struktur erhielt.
Die insgesamt sechsjährige Stardust-Mission gliederte sich in zwei Phasen, um Kometenstaub und Staub aus dem interstellaren Raum einzusammeln. Zunächst fing die Sonde auf der Vorderseite des Probensammlers innerhalb von 195 Tagen interstellaren Staub ein. Für den anschließenden Flug durch den Schweif des Kometen Wild 2 drehte die US-Raumfahrtagentur NASA den Sammler um 180 Grad, sodass diese Kometenkörner auf der Rückseite landeten.
Zurück auf der Erde, war das Aufspüren der Staubpartikel für die Wissenschaftler eine schier unlösbare Aufgabe, da der Staubfänger Mikrometer für Mikrometer nach Einschlägen abgesucht werden musste. Das entspräche einer Analyse von mehr als 1,5 Millionen Fotos des Glasschaums. Die Forscher wandten sich daher in einer bisher einzigartigen Aktion an die Öffentlichkeit und stellten die Fotos auf eine Webseite.
Ihrem Aufruf "Stardust@home" folgten Tausende von Helfern und analysierten die Bilder anhand einer genauen Anleitung, um den begehrten Staub aufzuspüren. Insgesamt wurden die Helfer dreimal fündig - ein schöner Erfolg, den die 66 Forscher zum Ausdruck brachten, indem sie in der Autorenliste der jetzigen Science-Publikation die "30714 Stardust@home dusters" nennen. Insgesamt fand man bisher vier Staubkörnchen auf der Aluminiumfolie und drei im Glasschaum.
Das Team um Peter Hoppe konzentrierte sich dabei auf die Folie. Die Mainzer hatten von der NASA ein etwa 90 Quadratmillimeter großes Stückchen erhalten. "Das Absuchen der Folie war eine echte Sisyphusarbeit, weil wir dafür etwa 50000 Bilder analysiert haben. Da die Staubkrater weniger als einen Tausendstel Millimeter klein sind, haben wir die Folie Stück für Stück mit dem Elektronenmikroskop angeschaut", erinnert sich Jan Leitner.
Fündig wurde das Team insgesamt fünfmal. In vier Kratern steckte allerdings lediglich Abriebmaterial der Solarzellen der Sonde selbst. Eine Probe jedoch war tatsächlich außerirdisch und erhielt den unspektakulären Namen I1044N,3. Die chemische Analyse ergab, dass es sich um ein magnesium- und eisenhaltiges Silikat handelt.
Andere Proben enthielten neben Aluminium, Chrom, Mangan, Nickel und Kalzium auch Eisensulfid und elementares Eisen. Da sich diese Eisenformen in den Untersuchungen von der Erde aus nicht nachweisen ließen, bedeutet dies für die Forschergemeinschaft einen weiteren Erfolg ihrer zweijährigen Arbeit.
Auch wenn bisher nur ein kleiner Teil der Oberfläche des Stardust-Staubfängers abgesucht wurde, ist die Analyse des interstellaren Staubs für die Gruppe um Peter Hoppe zunächst einmal abgeschlossen. Die restlichen Proben stehen nun Wissenschaftlern aus aller Welt zur Verfügung, um weitere Partikel zu identifizieren und zu analysieren. Vielleicht ergeben diese Untersuchungen dann wieder neue Überraschungen.
[MMG / SB]
Pressemitteilung der Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg
Dem interstellaren Staub auf der Spur
Internationales Wissenschaftlerteam analysiert durch Raumsonde Stardust eingefangene Weltraumstaubteilchen.
Licht im Dunkel des Universums: Mit der Untersuchung von interstellarem Staub ist ein internationales Wissenschaftlerkonsortium der sogenannten Urmaterie auf der Spur, die als Grundlage für Leben gilt, wie wir es kennen. Das Konsortium aus 33 Forschungseinrichtungen, dem auch Wissenschaftler der Universität Heidelberg angehören, analysiert seit acht Jahren Staub aus interstellarer Materie, der von der Raumsonde Stardust eingefangen wurde. In einer Studie in "Science" und elf Begleitpublikationen wurden nun erste Ergebnisse veröffentlicht. Diese zeigen, dass die Teilchen in ihrer Elementzusammensetzung, Kristallstruktur und Größe heterogen sind und deutlich von bisher angenommenen Eigenschaften abweichen.
"Der Weltraum zwischen den Sternen unserer Milchstraße ist nicht völlig leer, er enthält immerhin einige Prozent der gesamten Masse. Diese sogenannte interstellare Materie ist extrem wichtig, da aus ihr neue Sterne und Planetensysteme entstehen", erläutert Prof. Dr. Mario Trieloff den Hintergrund der Untersuchungen. Der Geowissenschaftler der Universität Heidelberg koordiniert das DFG-Schwerpunktprogramm "Die ersten zehn Millionen Jahre des Sonnensystems", in dessen Rahmen Wissenschaftler verschiedener deutscher Forschungseinrichtungen an dem internationalen Konsortium beteiligt sind. Der größte Teil der interstellaren Materie ist Gas aus Wasserstoff und Helium, nur ein Hundertstel davon ist Staub, der auch alle schweren Elemente enthält. "Diese schweren Elemente im interstellaren Staub sind letztlich der Baustoff für die terrestrischen oder erdähnlichen Planeten", erklärt Prof. Trieloff.
Die Raumsonde Stardust brachte 2006 zusammen mit den ersten Staubproben eines Kometen erstmals Proben dieser Urmaterie mit zur Erde. Dafür war mit speziellen Kollektoren interstellarer Staub aus unserem Sonnensystem eingefangen worden. Diese Staubteilchen waren sowohl kleiner als auch seltener als der Kometenstaub. Das internationale Wissenschaftlerkonsortium unter Leitung der Universität Berkeley untersuchte acht Jahre lang intensiv diese Kollektoren. Diese bestanden aus einem extrem leichten Aerogel, um die Teilchen möglichst schonend abzubremsen und intakt zu sammeln, denn die erwarteten Aufschlaggeschwindigkeiten betrugen bis zu 50 Kilometer pro Sekunde, was 180.000 Stundenkilometern entspricht.
Zunächst mussten diese "Staubfänger" nach Einschlagspuren untersucht werden, wofür mikroskopische Scans erstellt wurden. Diese 1,5 Millionen Bilder wurden von weltweit 34.000 Amateuren, die dafür in einem speziellen Online-Trainingsprogramm eingelernt wurden, optisch inspiziert. "Um vielversprechende Einschlagspuren überhaupt zu erkennen und von ihnen auf die Einschlaggeschwindigkeit und andere Eigenschaften der einschlagenden Teilchen wie Masse, Porosität oder chemische Zusammensetzung rückschließen zu können, wurde Kollektormaterial in Heidelberg in Kooperation mit der Universität Stuttgart unter Leitung von Dr. Ralf Srama mittels eines weltweit einzigartigen Staubbeschleunigers beschossen, um den Einschlagprozess zu simulieren und zu kalibrieren", erklärt Mario Trieloff. Weitere Einschlagspuren wurden an der Goethe-Universität Frankfurt von der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Frank Brenker mittels hochempfindlicher nano-Synchrotron-Röntgenfluoreszenz und am Max-Planck-Institut für Chemie mittels hochauflösender Rasterelektronenmikroskopie analysiert.
"Bislang konnten nur wenige große Teilchen untersucht werden: Zwei Teilchen mit den Namen Orion und Hylabrook wurden in Aerogel eingefangen, ein weiteres hinterließ nur eine Einschlagspur, vier Teilchen erzeugten Einschläge auf Folien zwischen den Aerogel-Waben", erläutert Prof. Trieloff die ersten Untersuchungsergebnisse. Diese Teilchen sind entgegen den gängigen Vorstellungen und Modellen nicht vollständig amorph, sondern eine Mischung aus verschiedenen Mineralen, also auch kristallin. Zum ersten Mal wurden Silikate wie Olivin und Oxide wie Spinell definitiv nachgewiesen, die nicht dem aus Meteoriten bekannten kohlenstoffreichen Sternenstaub entsprechen. Zudem handelt es sich auch nicht um silikatische Hochtemperaturkondensate. Die Elementzusammensetzung entspricht in Teilen dem kosmischen Durchschnitt, es gibt aber wichtige Abweichungen, etwa Defizite des Elements Kalzium oder Überschüsse des Elements Aluminium. "Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Teilchen heterogen bezüglich ihrer Elementzusammensetzung, Kristallstruktur und Größe sind. Der Anteil kristalliner Komponenten ist höher als bislang vermutet, es gibt unterschiedliche eisenhaltige Phasen, darunter Sulfide. Somit weichen diese Teilchen deutlich von den bisher mittels astronomischer Beobachtungen und Modellierungen abgeleiteten Durchschnittseigenschaften ab."
Wie der Geowissenschaftler betont, stehen zum ersten Mal im Labor Staubproben aus dem zeitgenössischen interstellaren Medium zur Verfügung, die so kostbar sind, dass mit Erlaubnis der NASA bislang nur zerstörungsfreie Messungen durchgeführt werden durften. "Diese haben allerdings nur eine begrenzte Genauigkeit, die Analytik für so kleine Teilchen muss in den nächsten Jahren erst noch entwickelt werden. Spätere Untersuchungen werden vermutlich noch überraschendere Ergebnisse zutage bringen. Darüber hinaus befinden sich in den Kollektoren wahrscheinlich noch viele weitere unentdeckte Teilchen. Es stehen also wohl noch weitere wissenschaftliche Entdeckungen bevor."
Die Arbeiten wurden gefördert durch den FRONTIER Fond der Universität Heidelberg im Rahmen der Exzellenzinitiative, das DFG-Schwerpunktprogramm "The first 10 Million Years of the Solar System - a Planetary Materials Approach" und die Klaus Tschira Stiftung.
Pressemitteilung der Goethe-Universität Frankfurt am Main
Erstmals Staub aus dem Interstellaren Raum analysiert
Der Interstellare Raum ist in der Vorstellung der meisten Menschen völlig leer. Tatsächlich enthält er aber einige Prozent der gesamten verfügbaren Masse der Galaxie. Wenige Mikrometer große Teilchen sind jetzt erstmalig von einem internationalen Wissenschaftler-Team untersucht worden.
Diese so genannte interstellare Materie ist zudem extrem wichtig, da aus ihr neue Sterne und Planetensysteme entstehen. Sie enthält die Grundbausteine aller uns bekannten Himmelskörper einschließlich der Erde. Der größte Teil dieser Materie besteht aus den Gasen Wasserstoff und Helium, nur ein Hundertstel davon ist Staub. Dieser enthält alle schweren Elemente, die die Baustoffe für die erdähnlichen Planeten liefern und damit auch als Grundlage für Leben gelten. Von dieser nicht aus unserem eigenen Sonnensystem stammenden Urmaterie wurden nun erstmals Proben von einer Raumsonde zur Erde zurückgebracht und in den am besten hierfür geeigneten Laboratorien der Welt untersucht.
Bekannt wurde die Stardust-Mission durch ihren spektakulären Flug durch den Schweif des Kometen Wild 2. An der Untersuchung der Proben hatten einige der deutschen Wissenschaftler bereits mitgewirkt. Die Raumsonde sammelte aber auch monatelang Staubpartikel aus dem Interstellaren Raum mit einer etwa einen halben Quadratmeter großen Auffangvorrichtung. Die winzigen, unvorstellbar schnell fliegenden Körner, die sich wahrscheinlich um sterbende Sterne und während Supernovae gebildet haben, wurden dabei in einem transparenten Glasschaum eingefangen. Nach der erfolgreichen Rückkehr der Proben begann die umfangreiche und aufwendige Suche nach den Mikropartikeln.
"Der Aufwand, diese Partikel im Glasschaum zu entdecken war so groß, dass man die ganze Welt um Mithilfe bat", sagt Prof. Frank Brenker von der Frankfurter Goethe-Universität. Insgesamt beteiligten sich über 34.000 Laien an der Suche und investierten hierfür große Teile ihrer Freizeit. Die große Anzahl freiwilliger Helfer zeigt, dass die Untersuchungen auf großes gesellschaftliches Interesse stoßen. "Es ist das erste Mal überhaupt, dass Material untersucht wird, welches nicht aus unserem eigenen Sonnensystem stammt. Es ist quasi unser Kontakt mit anderen Bereichen unserer Galaxie", erklärt Brenker. "Hier gibt es offensichtlich ein großes Bedürfnis nach wissenschaftlichen Antworten."
Vielversprechende Einschlagspuren des Auffangbehälters der Stardust-Raumsonde, an deren Ende sich die winzigen Teilchen befanden, wurden von der Arbeitsgruppe von Prof. Frank Brenker mittels hochempfindlicher nano-Synchrotron-Röntgenfluoreszenz am ESRF in Grenoble untersucht. Die Messungen führten schließlich zur Identifizierung der ersten Kandidaten für Körner mit interstellarem Ursprung.
Weitere Einschlagsspuren wurden am Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz mittels hochauflösender Sekundärionenmassenspektrometrie von der Arbeitsgruppe von Dr. Peter Hoppe studiert. Um vielversprechende Einschlagspuren überhaupt zu identifizieren und von ihnen auf die Einschlagsgeschwindigkeit und andere Eigenschaften der einschlagenden Teilchen (beispielsweise Masse, Porosität, chemische Zusammensetzung) rückschließen zu können, wurden Kollektoren in Heidelberg in Kooperation mit der Universität Stuttgart (Dr. Ralf Srama) mittels eines weltweit einzigartigen Staubbeschleunigers beschossen, um den Einschlagprozess zu simulieren und zu kalibrieren.
Die Ergebnisse des internationalen Konsortiums wurden nun im Wissenschaftsmagazin SCIENCE (Westphal et al. 2014) veröffentlicht. Bislang konnten wenige größere (Mikrometer große) Teilchen untersucht werden. Zwei Teilchen mit den schönen Namen Orion und Hylabrook wurden im Aerogel unzerstört eingefangen, ein weiteres hinterließ nur eine Einschlagspur, vier Teilchen erzeugten Einschläge auf Folien zwischen den Aerogel-Feldern.
Die untersuchten interstellaren Teilchen sind entgegen den gängigen Vorstellungen und Modellen nicht vollständig amorph, haben einen eher niedrigen Kohlenstoffanteil und stellen auch keinen direkten Hochtemperaturkondensate dar. Die Elementzusammensetzung entspricht in Teilen dem kosmischen Durchschnitt, es gibt aber wichtige Abweichungen, etwa Defizite des Elements Kalzium oder Überschüsse des Elements Aluminium. Somit weichen diese Teilchen deutlich von Durchschnittseigenschaften ab, die von astronomischen Beobachtungen und Modellierungen bisher abgeleitet wurden.
Zusatzinformationen:
Andrew J. Westphal et al.:
Evidence for interstellar origin of seven dust particles collected by the Stardust spacecraft.
In: Science; Vol. 345 no. 6198 pp. 786-791, online veröffentlicht am 15. August 2014, DOI 10.1126/science.1252496
Quellen: Max-Planck-Institut für Chemie, Mainz
Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg, Heidelberg
Goethe-Universität, Frankfurt am Main
Aktualisiert am 15.08.2014.
Permalink: https://www.internetchemie.info/news/2014/aug14/stardust-sternenstaub.php
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