Mittwoch, 6. April 2016

Supernovae-Explosionen in der Nähe der Erde

Galaktische ArchäologieWissenschaftler erforschen, wann Supernovae in der Nähe der Erde explodierten
Eine unter Astrophysikern lange ungeklärte Frage ist gelöst: Wann und wo sind Sterne in jüngster Vergangenheit in der Nähe des Sonnensystems explodiert? Ein Forscherteam vom Zentrum für Astronomie und Astrophysik der TU Berlin konnte in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern vom Zentrum für Astronomie der Universität Heidelberg und dem Department of Mathematics der Universität Evora mit Hilfe ausgefeilter Modellrechnungen zeigen, dass in den vergangenen 13 Millionen Jahren 16 solcher sogenannter Supernovae nahe der Erde stattfanden. Die Forscher unter Leitung von Prof. Dr. Dieter Breitschwerdt (TU Berlin) nutzten für ihre Untersuchungen 60Fe, ein radioaktives Eisenisotop, das nur in Riesensternen und Supernovae fusioniert wird. Das Isotop diente als Indikator für die Entfernung und den Zeitpunkt der Explosionen. Diese Ergebnisse sind jetzt in einem Letter in der Ausgabe vom 7. April 2016 des Fachjournals Nature erschienen, zusammen mit einem weiteren Artikel einer zweiten internationalen Forschergruppe der Australian National University, unter Federführung von Dr. Anton Wallner, die genaue Messungen von 60Fe an mehreren Proben im Ozeanboden vorgenommen hat.

Am Ende ihres Lebens produzieren massereiche Sterne viele neue Elemente, unter anderem auch langlebige radioaktive Isotope, die über Millionen von Jahren zerfallen. Dazu gehört 60Fe. Dieses Eisenisotop hat eine Halbwertzeit von 2,6 Millionen Jahren und kommt auf der Erde praktisch nicht natürlich vor. Wenn solche Sterne mit mehr als der achtfachen der Masse unserer Sonne schließlich sterben, dann in einer gewaltigen Explosion, einer sogenannten Supernova. Dabei wird so viel Energie in Form von Strahlung und Teilchen freigesetzt, dass alle Sterne in einer Galaxie für kurze Zeit überstrahlt werden. In den ersten Wochen strahlt eine solche Supernova, die in unserer Nähe stattfindet, so hell wie der Vollmond und kann dann sogar am Taghimmel beobachtet werden. Massereiche Sterne sind die Chemiefabriken des Universums, die durch Kernfusion alle Elemente synthetisieren, die schwerer sind als Helium. Auch das radioaktive Eisenisotop 60Fe wird bei der Explosion in den interstellaren Raum geschleudert. Geschieht dies nahe genug an unserem Sonnensystem können Teile davon auch auf die Erde gelangen. 
Geheimnisse aus den Tiefen der Ozeane

Bereits 1999 erbrachten Wissenschaftler den Nachweis dafür, dass sich extraterrestrisches 60Fe auf unserem Planeten befindet, und zwar – in geringen Konzentrationen – in Mangankrusten auf dem Grund des Pazifischen Ozeans. Diese Manganknollen verändern sich sehr langsam. Die aufgewachsenen Schichten geben, wie Baumringe, eine zeitliche Verteilung des 60Fe wieder. 2004 zeigte eine genauere Messung ein sehr deutliches Signal, dessen Entstehung 2,2 Millionen Jahre zurückliegt. 

Das Forscherteam von Prof. Dr. Dieter Breitschwerdt und seinen wissenschaftlichen Mitarbeitern Dr. Jenny Feige und Dr. Michael Schulreich sowie Prof. Dr. Miguel Avillez (Evora), Christian Dettbarn und Prof. Dr. Burkhard Fuchs (Heidelberg) beschäftigt sich schon seit mehreren Jahren mit der Entstehung der sogenannten „Lokalen Blase“. Dabei handelt es sich um eine Region, in die unser Sonnensystem eingebettet ist, die mit heißem Gas gefüllt ist und die weiche Röntgenstrahlung emittiert. In dieser Blase, die eine Ausdehnung von etwa 600 x 600 x 1200 Lichtjahren hat, herrschen Temperaturen zwischen 100.000 und mehreren Millionen Grad. Die Röntgenstrahlung, die die Erde erreicht, wird schon in den oberen Schichten der Atmosphäre absorbiert und ist daher völlig ungefährlich. 

In der Arbeit, die nun in Nature publiziert wird, wird erstmalig quantitativ der Zusammenhang zwischen der Entstehung der „Lokalen Blase“ durch Supernovae und dem auf dem Ozeanboden gefundenen 60Fe hergestellt. Die Forscher konnten nun aus Daten des Astrometrie-Satelliten Hipparcos und einem Katalog für Radialgeschwindigkeiten, kompiliert am Astronomischen Recheninstitut, die vollständige Raumbewegung aller Sterne in einem Volumen von 1200 Lichtjahren Durchmesser berechnen. So fanden sie eine Bewegungsgruppe von Sternen, in der in den letzten 13 Millionen Jahren Supernovae explodiert sind. 

Sternen-Explosionen hinterlassen ihre Spuren auf der Erde
Dazu benutzten die Wissenschaftler ein empirisches aus Beobachtungen abgeleitetes Gesetz, aus dem man die bereits explodierten Sterne und deren Masse berechnen kann, und zwar anhand der Anzahl der noch vorhandenen Sterne in der Gruppe. Ferner weiß man, dass Sterne in einer solchen Gruppe gemeinsam entstanden und daher gleich alt sind. Das Alter der Sternassoziation selbst lässt sich aus Sternentwicklungsrechnungen ableiten; das Alter der einzelnen Sterne korreliert mit ihrer Masse, wodurch die Explosionszeiten der Supernovae berechnet werden konnten. 

Die Explosionssorte bestimmten die Wissenschaftler aus der Raumbewegung (unter Berücksichtigung von Ungenauigkeiten der Messung in den Hipparcos-Daten) der Bewegungsgruppe zurück in die Vergangenheit von ihrem heutigen Aufenthaltsort, der in der Scorpius-Centaurus-Assoziation liegt. Dies war der Ausgangspunkt der mehrjährigen Forschungsarbeit des Teams, das sowohl analytische als auch hochaufgelöste numerische Rechnungen der Entstehung der „Lokalen Blase“ sowie des 60Fe-Transports von seinem jeweiligen Ursprungsort der betreffenden Supernova bis zur Erde durchgeführt hat. Insbesondere in den aufwendigen numerischen Simulationen, in die auch die Entwicklung der Nachbarblase Loop I sowie ein komplettes interstellares Medium mit einer dreidimensionalen Ausdehnung von nahezu 10000 Lichtjahren mit weiter entfernten Supernovae miteinbezogen wurden, konnten sehr viele Details der Entstehung der „Lokalen Blase“ und des 60Fe-Transports zur Erde berechnet werden. 
Die Forscher konnten zeigen, dass etwa 16 Supernovae in den letzten 13 Millionen Jahren die „Lokale Blase“ erzeugt haben. Sie sind auch für das 60Fe verantwortlich, das auf dem Ozeanboden gefunden wurde. Die Simulationen ergaben, dass etwa die Hälfte des gemessenen 60Fe von zwei Supernovae stammt, 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 Sternexplosionen bei, die weiter weg stattfanden. Die beiden nächsten Supernovae, die etwa das Neunfache der Sonnenmasse hatten, fanden 270 beziehungsweise 300 Lichtjahre entfernt statt – weit genug, dass daraus keine direkte Schädigung der Biosphäre daraus entsteht. 

Auch der zweite Nature-Artikel, den das internationale Forscherteam aus Australien, Deutschland, Österreich, Israel und Japan veröffentlichte, zeigt, dass das gemessene 60Fe aus mehreren Supernova-Explosionen stammt. Das Team, geleitet von dem Physiker Dr. Anton Wallner von der Australian National University, untersuchte dafür den Isotopengehalt und das Alter von mehreren Tiefseeproben von Sedimenten, Manganknollen und -krusten aus Pazifik, Südatlantik und Indischem Ozean. Es konnte nachgewiesen werden, dass in all diesen Tiefseearchiven 60Fe-Isotope in bestimmten Altersschichten stecken. Das Alter der Schichten wiederum wurde mit Hilfe der terrestrischen Radioisotope 10Be und 26Al bestimmt. In mehreren Altersschichten fanden sich 60Fe-Atome, und zwar in 1,7 bis 3,2 Millionen Jahre alten Schichten sowie in solche, die 6,5 bis 8,7 Millionen Jahre alt sind. Ko-Autorin beider Publikationen ist die TU-Wissenschaftlerin Dr. Jenny Feige.
Man könne davon ausgehen, so Professor Dieter Breitschwerdt, dass das 60Fe global vorkommt, da es in Proben aus verschiedenen Fundorten in den Ozeanen gemessen wurde. Vor allem zeigten die beiden Publikationen, dass man mit präzisen Labormessungen von langlebigen radioaktiven Isotopen und theoretischen Modellrechnungen galaktische Archäologie in der Umgebung unseres Sonnensystems betreiben kann

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Die beiden Publikationen:
D. Breitschwerdt, J. Feige, M. M. Schulreich, M. A. de. Avillez, C. Dettbarn, B. Fuchs
“The locations of recent supernovae near the Sun by modeling 60Fe transport.”
(DOI:10.1038/nature17424)

A. Wallner, J. Feige, N. Kinoshita, M. Paul, L.K. Fifield, R. Golser, M. Honda, U.
Linnemann, H. Matsuzaki, S. Merchel, G. Rugel, S.G. Tims, P. Steier, T. Yamagata, S.R.
Winkler
„Recent near-Earth supernovae probed by global deposition of interstellar radioactive 60Fe“
(DOI: 10.1038/nature17196)

Stefanie Terp Stabsstelle Presse, Öffentlichkeitsarbeit und AlumniTechnische Universität Berlin

via Informationsdienst Wissenschaft
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