Unser Sonnensystem durchquert derzeit die Lokale Interstellare Wolke, eine Region aus stark verdünntem Gas und Staub zwischen den Sternen. Dabei sammelt die Erde ständig Eisen-60 auf, ein seltenes radioaktives Isotop des Eisens, das bei Sternexplosionen entsteht. Das hat ein internationales Forschungsteam unter Leitung des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) mit der Analyse von Zehntausenden Jahre altem antarktischem Eis nun bestätigt. Aus dem stetigen, aber zeitlich schwankenden Eintrag schließen die Forschenden, dass das radioaktive Isotop seit einer längst vergangenen Sternexplosion in der Wolke gespeichert ist. Die Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift Physical Review Letters erschienen.
Eisen-60 entsteht im Inneren von massereichen Sternen und wird bei deren Explosion ins All geschleudert. Geologische Archive zeigen, dass unser Sonnensystem vor Millionen von Jahren zweimal von Eisen-60-Atomen aus Supernovae getroffen wurde. In jüngerer Zeit gab es jedoch keine nahegelegenen Sternexplosionen – und damit auch keinen direkten Nachschub an Eisen-60. Als Wissenschaftler*innen vor einigen Jahren Eisen-60 auch in weniger als zwanzig Jahre altem Oberflächenschnee der Antarktis entdeckten (https://www.hzdr.de/db/Cms?pOid=59176&pNid=3438 ), stellte sich die Frage nach dessen Ursprung.
„Unsere Idee war, dass die Lokale Interstellare Wolke Eisen-60 enthält und über längere Zeiträume bis heute speichern kann. Während das Sonnensystem die Wolke durchquert, könnte die Erde dieses Material aufnehmen. Belegen konnten wir das damals allerdings nicht“, erklärt Dr. Dominik Koll vom HZDR-Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung.
In den letzten Jahren analysierte das Team um Koll und Prof. Anton Wallner weitere Proben, darunter bis zu 30.000 Jahre alte Tiefsee-Sedimente. Auch dort fanden sie Eisen-60, doch konkurrierende Theorien blieben. Die jetzigen Proben aus dem antarktischen Eis reichen 40.000 bis 80.000 Jahre zurück. Mit ihrer Analyse steht nun fest: Nur die Lokale Interstellare Wolke kommt als Quelle in Frage. „Das bedeutet, dass die Wolken um das Sonnensystem herum mit einer Sternexplosion zusammenhängen. Und das gibt uns das erste Mal die Möglichkeit, dem Ursprung dieser Wolken auf den Grund zu gehen“, sagt Koll.
Lokale Interstellare Wolke speichert Eisen-60 aus Sternexplosion
Unser Sonnensystem trat vor mehreren zehntausend Jahren in die Lokale Interstellare Wolke aus Gas und Staub ein und wird sie in einigen tausend Jahren wieder verlassen. Derzeit befinden wir uns an deren Rand.
Für ihre Untersuchungen analysierten die Wissenschaftler*innen einen Eisbohrkern aus der Zeit rund um den vermuteten Eintritt in die Wolke. Das Alfred-Wegener-Institut Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) stellte dafür eine Probe aus dem Europäischen Eisbohrprojekt EPICA bereit. Der Vergleich des Eisen-60-Gehalts mit früheren Tiefsee- und Schneeproben zeigte: Vor 40.000 bis 80.000 Jahren erreichte weniger Eisen-60 die Erde als heute und in der noch jüngeren Vergangenheit. „Das deutet darauf hin, dass wir uns zuvor in einem Medium mit weniger Eisen-60 befanden oder dass die Wolke selbst starke Dichteunterschiede aufweist“, erläutert Koll.
Das Eisen-60-Signal verändert sich also innerhalb weniger Zehntausend Jahre – auf kosmischen Zeitskalen ist das bemerkenswert schnell. Mit diesem Wissen konnten die Forscher*innen alternative Erklärungen für die Quelle des Eisen-60-Eintrags ausschließen, etwa ein Abklingen Millionen Jahre alter Sternexplosionen.
Spurensuche im antarktischen Eis
Für die Messungen brachte das Team rund 300 Kilogramm Eis vom AWI in Bremerhaven nach Dresden und bereitete es dort chemisch auf – ein langwieriger Prozess, bei dem am Ende nur wenige 100 Milligramm Staub übrigblieben. Schritt für Schritt isolierten sie das Eisen-60, wobei sie bei jedem Arbeitsschritt Verluste vermeiden mussten.
Am DREsden Accelerator Mass Spectrometry (DREAMS)-Labor des HZDR überprüften sie die Probe daher nach der chemischen Aufbereitung auf zwei andere Radioisotope: Beryllium-10 und Aluminium-26. Bei diesen Isotopen ist genau bekannt, in welcher Menge sie im Eis vorliegen. Würde man Eisen-60 verlieren, würde auch deren Anteil geringer. Das konnte das Team ausschließen.
Die Nadel im Heuhaufen
Für die endgültige Messung nutzte das Team die HIAF-Anlage (Heavy Ion Accelerator Facility) an der Australian National University – derzeit die weltweit einzige Einrichtung, die winzige Mengen an Eisen-60 nachweisen kann. Mithilfe elektrischer und magnetischer Filter sortierten sie unerwünschte Atome in Abhängigkeit von ihrer Masse aus, bis nur noch eine Handvoll Eisen-60-Atome von ursprünglich 10 Trillionen anderen Atomen zum Nachweis übrigblieb.
„Das ist, als würde man eine Nadel in 50.000 Fußballstadien suchen, die bis zur Decke mit Heu gefüllt sind. Die Maschine findet die Nadel in einer Stunde“, erklärt Annabel Rolofs von der Universität Bonn.
„In langjähriger Zusammenarbeit mit internationalen Kollegen und Kolleginnen konnten wir eine extrem empfindliche Methode entwickeln, die uns nun erlaubt, diese eindeutige Signatur Jahrmillionen zurückliegender kosmischer Explosionen auch heute noch in geologischen Archiven nachzuweisen“, fasst Prof. Anton Wallner die neuesten Erkenntnisse zusammen.
Das Team plant somit bereits weitere Messungen. Ziel ist es, einen noch älteren Eisbohrkern zu analysieren, der aus der Zeit vor dem Eintritt in die Lokale Interstellare Wolke stammt. Das AWI ist ein zentraler Partner im Projekt Beyond EPICA-Oldest Ice, in dem entsprechend alte Eiskerne genommen werden.
Diese Meldung ist zuerst erschienen beim HZDR: https://www.hzdr.de/db/Cms?pOid=77574&pNid=99
Originalpublikation
D. Koll, A. Rolofs, F. Adolphi, S. Fichter, M. Hoerhold, J. Lachner, S. Pavetich, G. Rugel, S. Tims, F. Wilhelms, S. Zwickel, A. Wallner, Local Interstellar Cloud Structure Imprinted in Antarctic Ice by Supernova 60Fe, Physical Review Letters, 2026. (DOI: 10.1103/nxjq-jwgp)
