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ASTRO/094: Tagungsbericht - Staubiges Weltall (MaxPlanckForschung)


MaxPlanckForschung - Das Wissenschaftsmagazin der Max-Planck-Gesellschaft 3/2008

Astronomie und Kernphysik
Staubiges Weltall

Von Thomas Bührke


Geplagte Hausfrauen und Hausmänner fragen sich immer wieder, warum das Wohnzimmerregal schon wieder voller Staub ist, obwohl sie es erst eine Woche zuvor sorgfältig geputzt haben. Astrophysiker fragen sich, wie der Staub überhaupt ins Universum kam und welchem Zweck er hier dient. Über diese Themen diskutierten im Herbst mehr als 300 Wissenschaftler aus aller Welt in Heidelberg auf der Tagung "Kosmischer Staub nah und fern". Organisiert hatten dieses interdisziplinäre Treffen die dort ansässigen Max-Planck-Institute für Astronomie und für Kernphysik.


Im lockeren Turnus von vier Jahren treffen sich die Staubforscher zu einer solchen Tagung, auf der es um alle Aspekte dieses eminent wichtigen Ingrediens im Universum geht. Woher kommt der Staub im All? Wie verteilt er sich in den Galaxien? Was verrät Kometenstaub über die Entstehung unseres Sonnensystems? Das sind einige der Fragen, denen die Wissenschaftler nachspüren.

In diesem Jahr fand die Tagung erstmals in Deutschland statt. Die Veranstalter hätten hierfür keinen geeigneteren Ort als Heidelberg finden können. Das Max-Planck-Institut für Astronomie hat sich seit jeher der astronomischen Beobachtung im infraroten Spektralbereich verschrieben. Hier studiert man insbesondere Staub in Sternentstehungsgebieten. Das Max-Planck-Institut für Kernphysik wiederum genießt weltweit einen hervorragenden Ruf in der Analyse von Meteoriten und Mondgestein; seit Langem baut es Staubdetektoren für Raumsonden wie Giotto (Komet Halley), Galileo (Jupiter) und Cassini (Saturn).

Wenn Staub durch nahe Sterne erwärmt wird, gibt er Infrarotstrahlung ab. Aus deren Intensität lässt sich die Gesamtmasse ableiten. Doch je weiter eine Galaxie entfernt ist, desto schwieriger wird der Nachweis. Es galt deswegen als großer Durchbruch, als es vor wenigen Jahren gelang, Staub in den entferntesten bekannten Quasaren zu messen - den extrem hellen Zentralgebieten von Galaxien, in denen ein schwarzes Loch umgebendes Gas erhitzt und zum Leuchten anregt. Aus einem Gebiet, das etwa so groß wie unser Sonnensystem ist, kommt Strahlung, die mehrere tausend Mal heller sein kann als die von allen Sternen in unserer Milchstraße zusammengenommen. Deswegen lassen sich diese Himmelskörper bis in viele Milliarden Lichtjahre Entfernung beobachten.

Der bislang entfernteste Quasar mit der Bezeichnung SDSS J1148+5251 sandte das heute von ihm empfangene Licht aus, als das Universum 870 Millionen Jahre alt war. Astrophysiker schauen hier gewissermaßen in die Kinderstube des Universums, dessen Alter heute mit 13,7 Milliarden Jahren angenommen wird. Wie Fabian Walter vom Max-Planck-Institut für Astronomie berichtete, ließen sich in diesem Quasar gewaltige Staubmengen von mehreren hundert Millionen Sonnenmassen nachweisen. Das ist etwa so viel wie in der gesamten Milchstraße.

Der Staub wird nicht nur von dem heißen Quasar zum Leuchten angeregt, sondern auch von vielen jungen Sternen, die in dem Staub entstehen. Abschätzungen kommen auf eine Geburtenrate von jährlich 3000 Sternen mit der Masse unserer Sonne. In der Milchstraße entstehen heute gerade einmal Sterne mit insgesamt etwa fünf Sonnenmassen.


Der Urknall produzierte nur leichte Stoffe

Auch bei mehreren anderen Quasaren im jungen Universum fand sich zum Erstaunen der Astrophysiker Staub in dieser Größenordnung. Nach heutiger Kenntnis sind im Urknall nämlich fast ausschließlich die leichtesten Elemente Wasserstoff und Helium entstanden. Diese flüchtigen Stoffe können aber keine Staubteilchen bilden. Dafür sind schwerere Substanzen nötig, wie Kohlenstoff, Sauerstoff oder Silizium. Diese müssen also vor dem Aufflammen der Quasare in enormen Mengen produziert worden sein. Hierfür kommen im Grunde nur Supernovae, also explodierende Sterne, in Frage.

Modellrechnungen zufolge müsste jede Supernova durchschnittlich etwa eine Sonnenmasse an Staub liefern, um die beobachteten Mengen in den Quasaren erklären zu können. Auf der Tagung sahen mehrere Astrophysiker darin ein Problem, wie zum Beispiel Isabelle Cherchneff von der ETH Zürich demonstrierte.

Die ersten Sterne können nur aus Wasserstoff und Helium bestanden haben. Modelle sagen voraus, dass sie deswegen wesentlich schwerer waren als die heutigen Sterne und bis zu 300 Sonnenmassen beinhalteten. Sie erbrüteten im Innern durch Kernfusion schwere Elemente und gaben diese an die Umgebung ab, als sie explodierten. Da die Lebensdauer der Sterne mit zunehmender Masse stark abnimmt, wurden die Giganten der ersten Generation nur wenige Millionen Jahre alt.

"Nach zwei Jahren war die Temperatur in der Explosionswolke so weit gesunken, dass sich die ersten Moleküle bilden konnten", sagt Cherchneff. Bis zu einem Drittel der gesamten Sternmasse sammelt sich in einfachen Verbindungen wie Kohlenmonoxid (CO), molekularem Sauerstoff (O2) oder Siliziumoxid (SiO). Bei Zusammenstößen bleiben diese Moleküle dann aneinander haften und wachsen langsam zu Staubteilchen heran.

Wie effektiv dieser Vorgang ablief, war Gegenstand heftiger Diskussionen. Modellrechnungen mehrerer Theoretiker sagen voraus, dass zwischen einem und 20 Prozent der Sternmasse zu Staub werden - ausreichend, um die großen Mengen in den ersten Quasaren zu erklären.

Allerdings wird der größte Teil der Partikel später zerstört. Denn bei der Explosion eines Sterns rast eine Stoßwelle ins All hinaus, die das umgebende Gas aufheizt und komprimiert. Dies führt dazu, dass dieses Gas selbst eine Stoßfront aussendet, die zu dem explodierten Stern zurückläuft. Vereinfacht gesagt wird die Stoßfront der Supernova am umgebenden Gas reflektiert und durchquert mehrere zehntausend Jahre nach der Explosion die Staubwolken. Die darin enthaltenen Teilchen werden stark erhitzt und von schnellen Atomkernen, welche die Stoßfront mit sich reißt, bombardiert.

Wie viele der Staubpartikel dieses Inferno überstehen, ist Gegenstand der Forschung. Nach Modellrechnungen von Takashi Kozasa von der Universität Hokkaido werden alle Teilchen mit Durchmessern bis zu 0,05 Mikrometern (tausendstel Millimetern) vollständig zerstört. Nur die größeren überleben. Das Ausmaß der Zerstörung wächst mit dem Bombardement der Atomkerne und damit der Dichte des Gases, in dem sich der Staub befindet.

Da weder die Größenverteilung der Staubteilchen noch die Gasdichten bekannt sind, liefern die Modellsimulationen eine entsprechend breite Lösungsvielfalt. Simone Bianchi vom Astrophysikalischen Institut in Florenz kommt zu dem Schluss, "dass nicht einmal zehn Prozent des entstandenen Staubs die Rückwärts-Stoßwelle übersteht". Supernovae sind also sehr effektive Staubfabriken, aber der größte Teil ihres Produkts hat eine für kosmische Maßstäbe kurze Haltbarkeitsdauer. Nur wenn die Mehrzahl der ersten Sterne wirklich sehr viel schwerer waren als ihre heutigen Nachfahren, könnten sie das junge Universum mit dem nötigen Staub angereichert haben.

In absehbarer Zukunft wird es nicht möglich sein, den von der ersten Sterngeneration produzierten Staub direkt zu beobachten. Dafür sind diese Himmelskörper viel zu lichtschwach. Es ist bereits außerordentlich schwierig, Staub in nahen Supernova-Wolken aufzuspüren. Das gelang erstmals 1987 in der rund 163.000 Lichtjahre entfernten Großen Magellan'schen Wolke.

Die Astronomen verfolgten, wie ein Jahr nach der Supernova 1987A in der Gaswolke der erste Staub entstand. Doch schon ein weiteres Jahr später endete diese Phase. "Für die Staubentstehung steht nur ein sehr enges Zeitfenster zur Verfügung", sagt Chechneff. Der Grund erscheint einleuchtend: In der sich ausdehnenden Explosionswolke muss die Temperatur auf etwa 1200 Grad Celsius gesunken sein, damit sich feste Teilchen bilden können. Doch im weiteren Verlauf der Expansion verdünnt sich die Materie immer mehr, sodass die Partikel schließlich kaum noch zusammenstoßen und weiter anwachsen können.

Seit der Supernova 1987A ist es nur in sehr wenigen Fällen gelungen, Staub in anderen Explosionswolken nachzuweisen. Der jüngste Erfolg glückte einem Astronomenteam um Jeonghee Rho vom California Institute of Technology in Pasadena. Es fand Ende 2007 Jahres mit dem Weltraumteleskop Spitzer Staubwolken in dem etwa 11.000 Lichtjahre entfernten Supernova-Überrest Cassiopeia A sowie bei zwei weiteren Objekten. Wie Rho berichtete, beträgt die gesamte Staubmasse in den drei Objekten jeweils einige hundertstel Sonnenmassen. Das ist mehr als eine Zehnerpotenz weniger, als die Theoretiker von der ersten Sterngeneration erwarten.

Entweder waren die ersten Supernovae die ergiebigeren Staubfabriken, was in ihrer mutmaßlich höheren Masse begründet sein könnte, oder es gab im jungen Universum doch noch andere Staubquellen. "Vielleicht spielten die schwarzen Löcher in den Zentren der Quasare hierbei eine noch unbekannte Rolle", spekuliert Isabelle Cherchneff.

Im heutigen Universum gibt es noch eine zweite bedeutende Staubquelle: Sternwinde. Massereiche Sterne blähen sich am Ende ihres Lebens zu Riesen auf und stoßen Teile ihrer äußeren Hülle ins All ab. "Schon in geringer Entfernung vom Stern bilden sich Staubteilchen, die dann vom Druck des Sternlichts ins All hinausgetrieben werden", erklärte Susanne Hoefner von der Universität Uppsala. Ein berühmtes Beispiel hierfür ist der 7700 Lichtjahre entfernte Eta Carinae, der möglicherweise massereichste und leuchtkräftigste Stern in der Milchstraße.

Wenn ein solcher Stern später als Supernova explodiert, was die Forscher bei Eta Carinae erwarten, dann wird die Stoßwelle einen großen Teil des vorher produzierten Staubs wieder vernichten. Doch masseärmere Sterne wie unsere Sonne blähen sich im Endstadium als Rote Riesen auf, produzieren Staub und verglühen am Schluss einfach als Weißer Zwerg. Ihre Staubwolken können sich ungestört ausbreiten und gelangen so ins interstellare Medium. "Im heutigen Universum spielen die masseärmeren Sterne mit zwei bis fünf Sonnenmassen die dominierende Rolle in der Staubproduktion", fasste Eli Dwek vom Goddard Space Flight Center der NASA den heutigen Wissensstand zusammen.

Die ersten Sterne konnten das jedoch nicht, weil ihre äußere Hülle nur aus Wasserstoff und Helium bestand. Sie mussten zunächst die schweren Elemente herstellen und ins All abgeben, wo sie als Rohstoff für die nachfolgenden Generationen dienten.

Hat sich der Staub aus dem Schwerefeld seines Sterns gelöst, dann bewegt er sich frei durch den interstellaren Raum. Gerät er in einen der Spiralarme der Milchstraße, so sammelt er sich dort an. Diese Arme sind nämlich Störungen im allgemeinen Schwerefeld der Galaxis, in denen die Materie abgebremst wird. Spiralarme kann man sich wie einen interstellaren Stau vorstellen, in dem sich Staub ansammelt und zu großen Wolken verdichtet.


Begehrtes Material aus der Geburtsphase

Überschreitet eine solche Wolke eine bestimmte Größe, so zieht sie sich unter dem Einfluss der eigenen Schwerkraft zusammen. Mit abnehmender Größe rotiert sie immer schneller; schließlich zieht sie die Fliehkraft zu einer flachen Scheibe auseinander. Im Zentrum entsteht ein Stern, und in der umgebenden Scheibe verdichten sich große Planeten sowie kleinere Asteroiden und Kometenkörper.

In Kometen und Meteoriten ist die Materie aus der Entstehungsphase des Sonnensystems zum Teil unverändert erhalten geblieben - ein faszinierender Aspekt. Das Gestein der Planeten hingegen, insbesondere auf der Erde, wurde von Wind und Wetter und Plattentektonik stark verändert. Doch wie kommen die Forscher an das begehrte Urmaterial heran? Hierfür gibt es mehrere Möglichkeiten. Zum einen finden sich auf der Erde zahlreiche Meteorite. Sie sind Bruchstücke von Asteroiden, die von ihren ursprünglichen Bahnen, die überwiegend zwischen Mars und Jupiter verlaufen, abgekommen und mit der Erde zusammengestoßen sind. Auch Kometenstaub befindet sich schon seit Jahrzehnten in irdischen Laboratorien. Partikel der Schweifsterne geraten in die Hochatmosphäre, werden dort abgebremst und schweben langsam zu Boden. Die jährliche Gesamtmasse schätzen die Forscher auf 30.000 Tonnen. Mit speziell entwickelten Fanggeräten lassen sich solche Partikel mit Höhenflugzeugen einsammeln. In diesen Fällen weiß man jedoch nicht, von welchem Kometen die Teilchen stammen.

Diese Situation änderte sich grundlegend, als im Jahr 2006 die Raumsonde Stardust zur Erde zurückkehrte. Sie hatte zuvor im Schweif des Kometen Wild 2 Staub eingesammelt. Insgesamt gelangten auf diese Weise rund 10.000 Teilchen mit Größen zwischen einem und 300 Mikrometern und einer Gesamtmasse von einem tausendstel Gramm zur Erde.

In Heidelberg präsentierte der Stardust-Projektleiter Don Brownlee von der Universität Seattle Fotos und Messergebnisse dieser kostbaren Staubkörnchen. Obwohl deren Untersuchung noch am Anfang steht, gab es bereits einige sehr überraschende Ergebnisse. Ein Großteil des Materials besteht aus silikatischen Mineralen wie Olivin und Pyroxen. Sie besitzen in etwa jene Element- und Isotopenhäufigkeit, wie sie in der Sonne vorliegt. In einigen Körnchen fanden sich aber deutlich abgegrenzte Minerale wie Forsterit (Mg2SiO4) und Enstatit (MgSiO3) sowie kalzium- und aluminiumreiche Einschlüsse.

Diese Stoffe entstehen aber bei Temperaturen von 1100 Grad Celsius und mehr. Das war absolut überraschend, weil man bis dahin annahm, die Kometen wären weit von der Sonne entfernt bei Temperaturen deutlich unter dem Gefrierpunkt entstanden. Wie also kamen diese Hochtemperaturphasen in den Kometen?

Eine eindeutige Antwort hierauf haben die Forscher noch nicht. Brownlee zitierte die Arbeit seines Kollegen Frank Shu von der Universität Berkeley: Nach dessen Theorie verursachte intensive Röntgenstrahlung der jungen Sonne in der umgebenden Scheibe einen Teilchenwind, der Material in die Außenbereiche wehte. Demzufolge bildeten sich die Hochtemperaturmineralien sehr nahe an der Sonne, wurden dann bis hinter die Bahn des Mars transportiert und dort in die entstehenden Kometenkörper eingebaut. Von der weiteren Analyse der Stardust-Teilchen erhoffen sich die Forscher weitere Aufschlüsse über die erstaunliche Zusammensetzung der Kometenmaterie.

In einem beeindruckenden Vortrag schilderte schließlich Peter Hoppe vom Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz, wie sich die Entstehungsgeschichte von Meteoriten und den in der Hochatmosphäre eingefangenen interplanetaren Staubteilchen rekonstruieren lässt. Diese enthalten kleine Mengen an Staub, der bereits vor der Bildung unseres Sonnensystems in der Umgebung längst verstorbener Sterne entstanden ist. Die unterschiedlichen Staubquellen, vor allem Supernovae und Riesensterne, hinterlassen ganz charakteristische Fingerabdrücke, sogenannte Isotopenverhältnisse.

Isotope sind unterschiedliche Varianten eines Elements. Das Element Sauerstoff etwa ist durch acht Protonen im Kern gekennzeichnet. Es gibt jedoch drei Sauerstoff-Isotope mit jeweils acht, neun oder zehn Neutronen im Kern. Chemisch verhalten sich Isotope gleich, physikalisch jedoch nicht.


Graphitkörnchen verraten ihre Herkunft

Im solaren Urnebel lagen diese Isotope in bestimmten Häufigkeitsverhältnissen vor, die sich in der Materie der Sonne und im größten Teil der Meteorite widerspiegeln. Man findet aber im Meteoritengestein kleine Kristalle, in denen diese Isotopenverhältnisse ganz erheblich vom solaren Wert abweichen. Ursache sind die unterschiedlichen Herkunftsquellen, die Isotope in unterschiedlichen Verhältnissen produzieren. Die von Theoretikern in aufwändigen Computersimulationen berechneten Isotopenverhältnisse finden sich in den Staubteilchen wieder.

Am besten untersucht sind Siliziumkarbidteilchen, die neben dem Hauptbestandteil SiC auch viele andere Elemente und deren Isotope enthalten. Mittlerweile unterscheiden die Forscher mehrere Typen von SiC-Teilchen, deren Herkunft sich anhand der Isotopenverhältnisse bestimmen lässt, wie Hoppe demonstrierte. So lassen sich anhand der Stickstoff- (14N/15N) und Kohlenstoff-Isotopenverhältnisse (12C/13C) sowie der Isotopenverhältnisse weiterer Elemente eindeutig Riesensterne mit ein bis drei Sonnenmassen sowie Supernovae und Novae als Quellen identifizieren. Auch Graphitkörnchen verraten durch spezielle Kohlenstoff-Isotopenverhältnisse ihre Herkunft.

Trägt man die gemessenen Isotopenverhältnisse in einem Diagramm auf, so treten die Fingerabdrücke der Quellen deutlich zu Tage. Auf diese Weise hinterlassen längst vergangene Sterne ihre Spuren in dem Staub, aus dem dann unser Sonnensystem und mit ihm die Erde entstanden ist.

Die Heidelberger Tagung hat gezeigt, wie spannend Forschung an kosmischem Staub ist. Sie ist auch deswegen interessant, weil hier Astrophysiker, Chemiker, Geologen und Mineralogen ihre Ergebnisse beitragen. Eine interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen diesen Disziplinen ist keineswegs selbstverständlich. Diese zu fördern war auch eine der Aufgaben dieser Tagung.

Thomas Bührke


Bildunterschriften der im Schattenblick nicht veröffentlichten Abbildungen der Originalpublikation:

Abb. S. 60:
Einer kosmischen Blüte gleicht der Helixnebel. Erzeugt hat diese Wolke ein Stern, der sich am Ende seines Lebens zum Riesen aufblähte. Im Infrarotlicht erscheint der Staub (grün eingefärbt) besonders deutlich.

Abb. S. 62 + 63:
Die großen Schwaden im Adlernebel (links) sind der Rohstoff für neue Sterne. In den mittleren vier Bildern des Supernova-Überrests Cassiopeia A kennzeichnen die Farben unterschiedliche Bestandteile (blau: Siliziumgas, grün: Argongas, rot: Staub). Rechts umgibt der Sanduhrnebel den Riesenstern Eta Carinae, der in ferner Zukunft als Supernova explodieren wird.

Abb. S. 64:
Links: Isotopendiagramm von präsolaren SiC-Teilchen. Schwarz und grün markiert sind Riesensterne mit 1,5 bis 3 Sonnenmassen und unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung, hellblau entspricht Supernovae und eventuell Novae, rot kohlenstoffreichen Sternen.
Unten: Rasterelektronenmikroskop-Aufnahmen von präsolaren Staubteilchen, die in Meteoriten gefunden wurden.

Abb. S. 65:
Falschfarbenaufnahme eines 9 mal 9 Mikrometer kleinen Bereichs in dem Meteoriten Acfer 094. Das präsolare Körnchen tritt deutlich durch ein ungewöhnliches Verhältnis der Sauerstoff-Isotope 17O und 16O hervor.


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Quelle:
MaxPlanckForschung - Das Wissenschaftmagazin der Max-Planck-Gesellschaft
Ausgabe 3/2008, Seite 60 - 65
Herausgeber: Referat für Presse- und Öffentlichkeitsarbeit der
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veröffentlicht im Schattenblick zum 23. Dezember 2008