LOKALE BLASE
16 Supernovae in 13 Millionen Jahren
Redaktion / idw / Pressemitteilung der Technischen Universität Berlin
astronews.com
7. April 2016

Die Untersuchung des Vorkommens eines bestimmten Eisenisotops kombiniert mit theoretischen Modellrechnungen lieferte jetzt neue Informationen darüber, wo es in jüngerer Vergangenheit Supernovae-Explosionen in der Nähe der Sonne gab. Die nächstgelegenen Explosionen ereigneten sich danach vor über eine Million Jahren in mehr als 250 Lichtjahren Entfernung.

Wie viele Supernova-Explosionen ereigneten sich in der jüngeren Vergangenheit in der Nähe des Sonnensystem? Ein bestimmtes Eisenisotop half nun, diese Frage zu beantworten.  Bild: ESO / M. Kornmesser  [Großansicht]

Wann und wo sind Sterne in jüngster Vergangenheit in der Nähe des Sonnensystems explodiert? Diese Frage glauben Wissenschaftler jetzt geklärt zu haben: Mithilfe ausgefeilter Modellrechnungen konnte ein Forscherteam zeigen, dass in den vergangenen 13 Millionen Jahren 16 Supernovae nahe der Erde stattfanden.

Die Forscher unter Leitung von Prof. Dr. Dieter Breitschwerdt von der Technischen Universität Berlin nutzten für ihre Untersuchungen ⁶⁰Fe, ein radioaktives Eisenisotop, das nur in Riesensternen und Supernovae erzeugt wird. Das Isotop diente als Indikator für die Entfernung und den Zeitpunkt der Explosionen. Eine andere Forschergruppe der Australian National University hat ergänzend dazu genaue Messungen von ⁶⁰Fe an mehreren Stellen im Ozeanboden vorgenommen, die die These unterstützen.

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 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.

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 um Breitschwerdt und seinen wissenschaftlichen Mitarbeitern Dr. Jenny Feige und Dr. Michael Schulreich sowie Prof. Dr. Miguel Avillez von der Universität im portugiesischen Evora und Christian Dettbarn und Prof. Dr. Burkhard Fuchs vom Zentrum für Astronomie der Universität 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 mal 600 mal 1.200 Lichtjahren hat, herrschen Temperaturen zwischen 100.000 und mehreren Millionen Grad Celsius. Die Röntgenstrahlung, die die Erde erreicht, wird schon in den oberen Schichten der Atmosphäre absorbiert und ist daher völlig ungefährlich. In ihrer Untersuchung stellen die Forscher erstmalig quantitativ einen Zusammenhang zwischen der Entstehung der "Lokalen Blase" durch Supernovae und dem auf dem Ozeanboden gefundenen ⁶⁰Fe her.

Die Forscher konnten aus Daten des Astrometrie-Satelliten Hipparcos und einem Katalog für Radialgeschwindigkeiten, kompiliert am Astronomischen Rechen-Institut, die vollständige Raumbewegung aller Sterne in einem Volumen von 1.200 Lichtjahren Durchmesser berechnen. So fanden sie eine Bewegungsgruppe von Sternen, in der in den letzten 13 Millionen Jahren Supernovae explodiert sind.

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 10.000 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 ⁶⁰Feverantwortlich, 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 Wolf und Waage explodiert sind. Die andere Hälfte trugen 14 Sternexplosionen bei, die weiter weg stattfanden. Die beiden nächstgelegenen Supernovae, deren Urspungssterne etwa das Neunfache der Sonnenmasse hatten, fanden 270 beziehungsweise 300 Lichtjahre entfernt statt – weit genug, dass daraus keine direkte Schädigung der Biosphäre entsteht.

Auch die zweite Untersuchung eines internationalen Forscherteam aus Australien, Deutschland, Österreich, Israel und Japan zeigt, dass das gemessene ⁶⁰Fe aus mehreren Supernova-Explosionen stammt. Das Team, geleitet von 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 so 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.

Man könne davon ausgehen, so Breitschwerdt, dass das ⁶⁰Fe global vorkommt, da es in Proben aus verschiedenen Fundorten in den Ozeanen gemessen wurde. Vor allem zeigten die beiden Studien, dass man mit präzisen Labormessungen von langlebigen radioaktiven Isotopen und theoretischen Modellrechnungen galaktische Archäologie in der Umgebung unseres Sonnensystems betreiben kann.

Die Ergebnisse der beiden Studien wurden jetzt in zwei Fachartikeln veröffentlicht, die in der Wissenschaftszeitschrift Nature erschienen sind.