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Neue Hinweise auf Elemententstehung in der Tiefsee
Redaktion
/ Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung
astronews.com
26. Mai 2026
In einer Mangankruste aus der Tiefsee wurden erstmals
seltene radioaktive Isotope nachgewiesen, die neue Einblicke in die Entstehung
der schwersten Elemente in unserer kosmischen Nachbarschaft liefern. Das letzte
große astrophysikalische Ereignis in der Nähe unseres Sonnensystems, das solche
Elemente erzeugt haben könnte, liegt danach mindestens 100 Millionen Jahre
zurück.
Interstellares Eisen-60, Plutonium-244 und
Curium-247 auf der Erde. Der Eintrag des
Supernova-Tracers Eisen-60 korreliert nicht mit
der Ablagerung der r-Prozess-Isotope
Plutonium-244 und Curium-247. Der vom
Supernova-Ereignis unabhängige r-Prozess wurde
auf einen Zeitpunkt vor mehr als 100 Millionen
Jahren datiert.
Bild: B. Schröder / HZDR / NASA, ESA, J.
Hester, A. Loll (ASU) [Großansicht] |
Ferromangankrusten sind mineralische Ablagerungen in Meerestiefen von
Hunderten bis Tausenden Metern und einzigartige geologische Archive. Sie wachsen
millimeterweise über Millionen von Jahren, nehmen dabei Stoffe aus ihrer
Umgebung auf und speichern sie – darunter auch winzige Mengen radioaktiver
Isotope, die vor langer Zeit aus dem All zu uns gelangt sind. Die Wissenschaft
nutzt diese Elemente als Marker vergangener kosmischer Ereignisse.
Nach einem besonders seltenen dieser Isotope – Plutonium-244 – fahndeten die
Forschenden nun in einer Kruste aus den Tiefen des Pazifiks. Plutonium-244
entsteht im sogenannten r-Prozess (engl. rapid neutron-capture process), einem
hochexplosiven Vorgang, bei dem Atomkerne in sehr kurzer Zeit extrem viele
Neutronen nacheinander einfangen. Solche Bedingungen herrschen vermutlich bei
der Verschmelzung von zwei Neutronensternen oder in besonders energiereichen
Supernovae, die 1000- bis 10.000-mal seltener sind als reguläre
Sternexplosionen. Das Forschungsteam analysierte Spuren der radioaktiven Isotope
Eisen-60, Plutonium-244 und Curium-247 in der Kruste.
"Eisen-60 ist ein klarer Fingerabdruck von regulären Supernovae. Daher haben
wir sowohl nach Eisen-60 als auch nach Plutonium-244 gesucht und deren Spuren
verglichen", erklärt Dr. Dominik Koll vom Institut für Ionenstrahlphysik und
Materialforschung am HZDR. Der Vergleich zeigt: Im Gegensatz zum Eisen kann das
Plutonium nicht aus Sternexplosionen der letzten Millionen Jahre stammen. Es
muss auf ein selteneres kosmisches Ereignis zurückgehen, das mehr als 100
Millionen Jahre zurückliegt.
Während der Eisen 60-Verlauf zwei eindeutige Signaturen erdnaher
Supernova-Explosionen vor einigen Millionen Jahren zeigt, folgt Plutonium-244
einem anderen Verlauf. Es erreichte die Erde über Millionen Jahre hinweg
kontinuierlich. Das spricht für einen älteren Prozess, denn nur so hätte das
Isotop genügend Zeit gehabt, sich wie ein gleichmäßiger Schleier im
interstellaren Medium zu verteilen. Den Beweis für diese Interpretation brachte
der Vergleich der Plutonium-Signatur mit Curium-247. Wie Plutonium-244 entsteht
Curium-247 im r-Prozess. Mit einer Halbwertszeit von etwa 15,6 Millionen
anstelle von 80 Millionen Jahren zerfällt es aber deutlich schneller: Das
Verhältnis der Isotope ist daher ein mächtiges Datierungswerkzeug. Trotz
höchster Messempfindlichkeit konnte das Team keinerlei Spuren kosmischen Curiums
in der Tiefseekruste nachweisen. Daraus ergibt sich ein natürliches
"Verfallsdatum" für das letzte r-Prozess-Ereignis in unserer kosmischen
Nachbarschaft: Es muss vor mehr als 100 Millionen Jahren stattgefunden haben.
Entscheidend dabei war: Die Forschenden konnten die Plutonium-Spuren erstmals
in vielen kleinen Zeitabschnitten nachweisen. Dafür mussten sie die Probe in
einzelne Schichten unterteilen, die jeweils nur wenige Plutonium-Atome
enthielten. Ein Plutonium-Atom versteckt sich dann in rund zehn Trilliarden
anderer Atome. Erst seit kurzem können diese winzigen Mengen detektiert werden.
Für Curium-247 war es sogar die erste signifikante Messung überhaupt. "Wir
brauchen nur 100 Plutonium-Atome in der Endprobe, um eines davon im Detektor
einzufangen. Diese Sensitivität ist weltweit einzigartig", sagt Michael Hotchkis,
leitender Wissenschaftler der VEGA-Anlage in Sydney. VEGA ist die derzeit
einzige Maschine, die empfindlich genug ist, derartige kosmische Spuren
nachzuweisen. Zukünftig soll am HZDR in Dresden die HAMSTER-Anlage Ähnliches
leisten. Die Eisen-60-Messungen führte das Team an der Heavy Ion Accelerator
Facility der Australian National University in Canberra durch.
Parallel hatte das Team die Probe an der DREAMS-Anlage am HZDR in Dresden auf
Beryllium-10 vermessen und ein detailliertes Altersmodell abgeleitet. Nur so
konnten sie die aufgespürten Atome auf kosmischer Zeitskala verorten. Zwar
stammt die gewählte Probe aus einer der am besten untersuchten
Tiefsee-Ferromangankrusten für Radionuklid-Studien. Dennoch musste das Team ihr
Wachstum für die genaue Datierung noch besser charakterisieren. Röntgenscans,
3D-Bilder und Testdatierungen kleinerer Probebohrkerne halfen den
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, das Wachstum dieser Kruste über mehr
als zehn Millionen Jahren noch genauer zu verstehen.
"Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Plutonium aus sehr seltenen
kosmischen Explosionen stammt, wie sie etwa beim Verschmelzen zweier
Neutronensterne oder sehr energiereichen Supernovae auftreten würden. Seitdem
hat es sich im interstellaren Medium verteilt", sagt Prof. Anton Wallner, Leiter
der Abteilung Beschleuniger-Massenspektrometrie und Isotopenforschung am HZDR.
Zwei Ereignisse dieser Art Verschmelzungen von Neutronensternen wurden in den
letzten Jahren unabhängig durch Gravitationswellen beobachtet, beide befanden
sich jedoch weit außerhalb unserer Galaxie. Alternative Erklärungen, darunter
die kürzlich vorgeschlagene Kollision des Sonnensystems mit einer dichten
interstellaren Wolke, konnte das Team ausschließen.
Die nächsten Messungen sind schon im Gange: Mondproben der NASA sollen
helfen, den letzten r-Prozess genauer zu studieren: An der neuen HAMSTER-Anlage
in Dresden wollen die Physikerinnen und Physiker neben Plutonium und Curium
zukünftig weitere seltene Radionuklide nachweisen, die neue Aufschlüsse über die
Elemententstehung im Universum bringen könnten.
Über ihre Ergebnisse berichtet das Team in einem Fachartikel, der in der
Fachzeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht wurde.
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