KOMETEN
Einschläge veränderten Erdatmosphäre
Redaktion / Pressemitteilung des Instituts für Weltraumforschung der ÖAW
astronews.com
9. Juni 2017

Die erfolgreiche Messung mehrerer Isotope des Edelgases Xenon beim Kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko ist ein eindeutiger Hinweis darauf, dass durch Einschläge von Kometen einst Material auf die Erde gelangt ist. Die Auswertung weiterer Rosetta-Daten ergab zudem, dass unser Sonnensystem am Anfang sehr heterogen war und kometäres Eis offenbar älter als unser Sonnensystem ist.

Bild des Kometen 67P von Ende Mai 2016, als Rosetta während dreier Wochen so nah wie möglich am Kometen flog, um ROSINA das "Erschnüffeln" der Xenon-Isotope zu ermöglichen.  Bild:  ESA / Rosetta / NAVCAM, CC BY-SA IGO 3.0 [Großansicht]

Xenon ist ein farbloses, geruchloses Gas, das weit weniger als ein Millionstel des Volumens der gesamten Erdatmosphäre ausmacht. Als Edelgas reagiert es fast nicht mit anderen Elementen und hat deshalb einen relativ stabilen atomaren Zustand. Es kann daher Verhältnisse bei der Entstehung unseres Sonnensystems relativ genau wiedergeben.

Mit Xenon kann auch die alte Frage zu Kometen beantwortet werden: Gelangte durch Kometen-Einschläge Material auf die Erde, und wenn ja, wie viel? Wissenschaftler um Kathrin Altwegg vom Center for Space and Habitability (CSH) der Universität Bern konnten nun zeigen, dass die Xenon-Mischung beim Kometen 67P/Churyumov–Gerasimenko dem bereits seit 40 Jahren vermuteten irdischen "Ur-Xenon" sehr ähnlich ist, das kurz nach der Entstehung unseres Sonnensystems von außen auf unseren Planeten gelangte. Die Messungen zeigen, dass ungefähr ein Fünftel des irdischen Xenons von Kometen stammt. Damit konnte erstmals eine quantitative Verbindung zwischen Kometen und der Erdatmosphäre hergestellt werden.

Xenon wird in einer Vielfalt von stellaren Prozessen geformt, etwa bei Supernova-Explosionen. Jedes dieser Phänomene führt zu einer typischen Xenon-Isotopenverteilung, einem spezifischen "Fingerabdruck". Wegen seiner vielen Isotope aus verschiedenen stellaren Prozessen liefert Xenon wichtige Hinweise auf das Ur-Material, aus dem unser Sonnensystem entstand.

Gemessen wurden Xenon-Isotopen bereits in der Atmosphäre von Erde und Mars, in Meteoriten, die von Asteroiden abstammen, beim Jupiter und im Sonnenwind – dem Strom von geladenen Teilchen von der Sonne. Die Xenon-Mischung in der Erdatmosphäre besitzt mehr schwere als leichte Isotope, da leichte Isotope eher aus dem Gravitationsfeld der Erde ins All entweichen können.

Indem sie diesen Effekt korrigierten, haben Forscher in den 1970er Jahren die ursprüngliche Mischung dieses Edelgases, das sogenannte "Ur-Xenon" berechnet, das einst in der Atmosphäre der Erde vorherrschte. Dieses Ur-Xenon enthält viel weniger schwere Isotope und die Zusammensetzung der leichten Isotope gleicht derjenigen des Xenon von Asteroiden oder der Sonne.

Deshalb wurde vermutet, dass das Ur-Xenon in der frühen Erdatmosphäre einen anderen Ursprung hat, als die sonst beobachtete Mischung im Sonnensystem. Dies bestätigen Daten, die dank dem Messgerät ROSINA auf der Rosetta-Sonde beim Kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko, einem eisigen "Fossil" aus dem frühen Sonnensystem, gewonnen wurden.

"Die Suche nach Xenon beim Kometen war wahrscheinlich eine der wichtigsten und schwierigsten Messungen von ROSINA", erläutert Altwegg, die ROSINA-Projektleiterin am Center for Space and Habitability. "Dass wir dabei einen Teil eines über 40 Jahre alten Rätsels gelöst haben, freut uns umso mehr." Xenon ist sehr selten in der sowieso schon dünnen Atmosphäre des Kometen. Die Sonde Rosetta musste deshalb wochenlang sehr nahe am Kometen fliegen – 7 bis 10 Kilometer vom Kernmittelpunkt –, damit ROSINA genügend Signale für eine eindeutige Messung der sieben häufigsten Isotope erhielt.

Das Risiko dabei war, dass der dichte Staub nahe beim Kometen das Orientierungssystem der Sonde hätte beschädigen können. ROSINA gelang es, neben anderen Edelgasen auch sieben Xenon-Isotope zu identifizieren. Die Analyse der Daten zeigte, dass das kometäre Xenon, das bei der Entstehung des Kometen eingefroren wurde, sowohl von der Mischung im Sonnensystem als auch vom heutigen Mix in der Erdatmosphäre abweicht. Die Zusammensetzung des kometären Xenons gleicht am ehesten derjenigen des postulierten Ur-Xenons in der frühen Erdatmosphäre.

Es gibt aber gewisse Unterschiede zwischen beiden Zusammensetzungen, woraus die Wissenschaftler schließen, dass das ursprüngliche Xenon teils von Kometen, teils von Asteroiden stammt: "Erstmals konnten wir den quantitativen Zusammenhang zwischen Kometen und unserer Erdatmosphäre herstellen – demnach stammen 22 Prozent des ursprünglichen, atmosphärischen Xenons der Erde von Kometen, während der Rest von Asteroiden stammt", fasst Altwegg zusammen.

Dieses Resultat steht nicht im Widerspruch zu ROSINAS Isotopenmessung im Wasser des Kometen, die signifikant anders war als im irdischen Wasser. Da Xenon nur in Spuren in der Atmosphäre vorhanden ist, während die Erde große Wassermengen in den Ozeanen und der Atmosphäre enthält, konnten Kometen durchaus einen Beitrag zum irdischen Xenon leisten, ohne das irdische Wasser wesentlich zu verändern. "Zudem vertragen sich die Ergebnisse des Xenons gut mit der Idee, dass durch Kometen organische Stoffe auf die Erde gelangten - wie Phosphor und die Aminosäure Glyzin, die ebenfalls von ROSINA beim Kometen gefunden wurden - das möglicherweise ausschlaggebend war für die Entwicklung von Leben auf der Erde", sagt Altwegg.

Schlussendlich deutet der Unterschied zwischen dem kometären Xenon und dem Xenon im Sonnensystem darauf hin, dass die sogenannte protosolare Wolke, aus der die Sonne, Planeten und Kleinkörper gebildet wurden, ein chemisch ziemlich heterogener Ort war. "Dies stimmt überein mit früheren Messungen von ROSINA, wie die unerwartete Entdeckung von molekularem Sauerstoff oder molekularem Schwefel", sagt Altwegg.

Eine Forschergruppe unter der Leitung von Martin Rubin, ebenfalls CSH, konnte zudem zeigen, dass Silizium im Kometen nicht das mittlere Isotopenverhältnis unseres Sonnensystems aufweist. Damit deuten die ROSINA-Daten darauf hin, dass das Material unseres frühen Sonnensystems von verschiedenen Vorläufer-Sternen stammt. Wie beim Xenon spricht dies dafür, dass die chemische Zusammensetzung des frühen Sonnensystems heterogen, also nicht «gleichmäßig» durchmischt war, wie bisher vermutet.

ROSINA hatte bereits früh in der Mission Silizium-Atome in der Gashülle des Kometen entdeckt, die durch Sonnenwind aus der Oberfläche des Kometen hinausgeschlagen wurden. Eine genaue Analyse durch Rubin hat nun gezeigt, dass die Isotope von Silizium ebenfalls eine Anomalie aufweisen, wenn man sie mit solarem Silizium vergleicht. Die schweren Silizium-Isotope sind weniger häufig verglichen mit der Mischung bei der Sonne und Meteoriten. Dies deutet darauf hin, dass Kometen sich in einem Gebiet im protosolaren Nebel gebildet haben, das eine nicht-solare chemische Zusammensetzung aufwies – und somit möglicherweise Material von einem anderen Stern oder Supernova in der Nähe übernommen hat.

Eine weitere Untersuchung weist außerdem anhand der Wasserstoff-Isotope nach, dass kometäres Wasser – sogenanntes "schweres" Wasser – vor der Entstehung des Sonnensystems gebildet und als präsolares Eis in Kometen eingefroren wurde. "Unsere Ergebnisse bei allen drei Studien erfüllen damit eines der Hauptziele der Rosetta-Mission, nämlich erstmals quantitative Anhaltspunkte zur Entstehung der Erde und unseres Sonnensystems zu finden", sagt Altwegg.

Über ihre Ergebnisse berichten die Wissenschaftler in Beiträgen für die Fachzeitschriften Science und Astronomy & Astrophyscis sowie für eine Sonderausgabe der Zeitschrift Philosophical Transaction of the Royal Society.