Spuren einer Sternenexplosion vor drei Millionen Jahren im Pazifik entdeckt

Am Tandembeschleuniger der TU und LMU München ist es gelungen, radioaktive Eisen-60-Atome nachzuweisen, welche vor drei Millionen Jahren bei einer etwa 100 Lichtjahre weit entfernten Supernova erzeugt, durch das Weltall geschleudert und schließlich auf der Erde abgelagert wurden.
Supernovae, d.h. Explosionen massereicher Sterne am Ende ihres Lebens, gehören zu den energiereichsten Ereignissen im Universum. Innerhalb weniger Sekunden werden Energien um die 10⁵¹ erg freigesetzt, kaum weniger als das, was unsere Sonnen in ihrem mehrere Milliarden Jahre lange währendem Leben insgesamt erzeugen wird. Unter diesen extremen Bedingungen werden in Kernreaktionen meist radioaktive Isotope schwerer Elemente synthetisiert. Nach der Explosion wird der Großteil dieses Material in den Weltraum geschleudert, wo es sich über Distanzen von mehreren hundert Lichtjahren ausbreiten kann. Befände sich unsere Erde in einem geringeren Abstand zum Explosionsort, könnte eben dieses kurz vor der Explosion erzeugte Material direkt bei uns deponiert werden. Dessen Nachweis würde somit einen eindeutigen Hinweis auf  eine nahe (d.h. weniger als einige hundert Lichtjahre von der Erde entfernte) Supernova liefern.
Nun sind Supernovae allerdings ein relativ seltenes Phänomen: In unserer ganzen Galaxie findet nur etwa alle 30 Jahre eine Explosion statt, eine Supernova im besagten Abstand von der Erde lässt sich nur alle paar Millionen Jahre erwarten. Dies machte es natürlich notwendig, die Suche auf einem entsprechend langen Zeitraum auszudehnen.
Am Beschleunigerlabor der LMU und TU München gelang mit der Methode der Beschleuniger-Massenspektrometrie der Nachweis von radioaktivem Eisen-60. Dieses Radionuklid mit einer Halbwertszeit von 1,5 Millionen Jahren wird innerhalb unseres Sonnensystem praktisch nicht erzeugt, während bei einer einzigen Supernova allein von diesem Nuklid eine Menge mit der zehnfachen Erdmasse entstehen kann. Messbare Eisen-60-Konzentrationen in terrestrischen Proben lassen somit zwingend auf eine Supernova-Herkunft schließen. Die Messproben stammen aus einer so genannten Tiefsee-Mangankruste verwendet (siehe Abbildung 1).
Die Kruste wurde aus einer Tiefe von knapp 5000 Metern vom Grund des pazifischen Ozeans geborgen. Dort wuchs sie über mehrere Millionen Jahre lang mit einer Geschwindigkeit von lediglich 2,5 Millimetern pro Million Jahre. Einer Schicht in einer bestimmten Tiefe, beispielsweise zehn Millimeter unter der Krustenoberfläche, kann somit ein Alter zugeordnet werden, in diesem Fall vier Millionen Jahre. Insgesamt wurde in 28 unterschiedlich alten Schichten nach supernovaproduziertem Eisen-60 gesucht. In Abbildung 2 sind die Ergebnisse dieser Messreihe dargestellt. Aufgetragen ist die Eisen-60-Konzentration gegen das Alter der jeweiligen Schicht in Millionen Jahren. Wie erwartet, ergibt sich für die meisten Schichten kein vom Messuntergrund (dargestellt durch die gestrichelte Linie) zu unterscheidendes Eisen-60-Signal. In den etwa drei Millionen Jahre alten Schichten jedoch wurde eine deutliche Eisen-60-Überhöhung gemessen, eine Überhöhung, die genau mit dem erwarteten Eisen-60-Niederschlag durch eine Supernova in einem Abstand von einhundert Lichtjahren übereinstimmt.
Dieses zeitlich klar aufgelöste Signal ermöglicht nun die Suche nach weiteren Folgen dieser Supernova. So sind die Explosionsfronten von Supernovae die Ursache kosmischer Strahlung: Protonen des interstellaren Mediums werden hier durch turbulente Magnetfelder auf hohe Energien beschleunigt. Simulationsrechnungen, die von unserem Kollaborationspartner Ernst Dorfi von der Universität Wien durchgeführt wurden, zeigen, dass solch eine nahe Supernova zu einer Erhöhung der galaktischen kosmischen Protonenstrahlung für einen Zeitraum  über 100 000 Jahren führen kann.
Neuere Untersuchungen weisen darauf hin, dass durch die Wechselwirkung der kosmischen Strahlung mit der Erdatmosphäre möglicherweise Kondensationskeime zur Wolkenbildung erzeugt werden, eine erhöhte kosmische Strahlung somit zu einer Abkühlung auf der Erde führen könnte. Eine solche langfristige und starke Abkühlung vor drei Millionen Jahren ist durch Messungen von Sauerstoffisotopen eindeutig belegt, während alle bisherigen Erklärungsversuche dieses Klimawechsels umstritten sind. Dieser Klimawechsel erzeugte unter den Hominiden einen starken Evolutionsdruck. Drastische Evolutionsschritte, unabdingbar für die Entstehung des homo sapiens, fanden in genau diesem Zeitraum statt. Es ist also nicht unwahrscheinlich, dass ein wichtiger Grund für unsere Existenz ein gewaltiges kosmisches Ereignis ist, dass mehrere Millionen mal weiter von uns entfernt war, als unsere Sonne.

Klaus Knie

Referenz:
K. Knie, G. Korschinek, T. Faestermann, E.A. Dorfi, G. Rugel and A. Wallner.
60Fe Anomaly in a Deep-Sea Manganese Crust and Implications for a Nearby Supernova Source.
Physical Review Letters 93, 171103 (2004).


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