Wenige hundert Atome. In einem Kilogramm Gestein. Aus einer Explosion, die vor mehr als 100 Millionen Jahren stattfand. Das klingt nach einem Zufallsfund - ist aber das Ergebnis jahrelanger, hochpräziser Detektivarbeit. Und es könnte eine der grundlegendsten Fragen der Physik beantworten: Wo entstehen die schwersten Elemente des Universums?
Am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) hat Prof. Anton Wallner mit seinem Team genau diese Frage zur Lebensaufgabe gemacht. Jetzt bekommt seine Arbeit Rückenwind aus Brüssel: Das Projekt SUPREME wurde mit drei Millionen Euro ausgezeichnet, um die Geschichte naher kosmischer Explosionen der vergangenen 500 Millionen Jahre zu rekonstruieren und zu verstehen, wie die schwersten Elemente im Universum entstehen. Der ERC Advanced Grant - eine der renommiertesten Auszeichnungen für herausragende wissenschaftliche Forschung in Europa - ist eine klare Ansage: Diese Forschung ist nicht Nischenwissenschaft, sondern Grundlagenforschung auf höchstem Niveau.
Was der Pazifikboden über Sternexplosionen verrät
Der Ausgangspunkt ist unspektakulär: ein schwarzer Stein aus der Tiefsee. 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.
Genau diese Krusten hat ein Forschungsteam unter Leitung von HZDR und den Universitäten Canberra und Sydney jetzt ausgewertet - mit einem bemerkenswerten Ergebnis. Vor mehr als 100 Millionen Jahren kam es in der Nähe unseres Sonnensystems zu einem sehr seltenen und dramatischen Ereignis, einem sogenannten r-Prozess. Die Spuren davon hat ein deutsch-australisches Team auf dem Grund des Zentralpazifiks gefunden.
Das Erkennungszeichen dieser kosmischen Explosion: wenige hundert Atome des langlebigsten Plutonium-Radioisotops Pu-244 mit einer Halbwertszeit von 81 Millionen Jahren - gefunden in einem Kilogramm Kruste. Das Erkennungszeichen dieser kosmischen Explosion ist der Nachweis von nur wenigen hundert Atomen des langlebigsten Plutonium-Radioisotops Pu-244 mit einer Halbwertszeit von 81 Millionen Jahren, gefunden in einem Kilogramm Kruste.
Was ist der r-Prozess? Der Rapid Neutron-Capture Process (r-Prozess) ist ein hochexplosiver Vorgang, bei dem Atomkerne in sehr kurzer Zeit extrem viele Neutronen nacheinander einfangen. Dabei entstehen die schwersten natürlichen Elemente – von Gold über Platin bis hin zu Plutonium. Er findet vermutlich bei Neutronensternverschmelzungen oder bestimmten Supernova-Typen statt.
Plutonium erzählt eine andere Geschichte als Eisen
Das Besondere an der aktuellen Studie, die in Nature Astronomy erschienen ist: Die Forscher haben nicht nur nach einem Isotop gesucht, sondern nach mehreren - und deren Verteilung verglichen. Das Plutonium erzählt eine andere Geschichte als das Eisen. Während Eisen-60 vor allem Spuren einzelner Sternexplosionen hinterlässt, wurde Plutonium-244 über lange Zeiträume hinweg in der Tiefseekruste nachgewiesen. Das deutet darauf hin, dass es schon sehr lange durch den Weltraum unterwegs war, bevor es auf die Erde gelangte.
Die wenigen Atome von Plutonium-244, die nachgewiesen wurden, verteilten sich ziemlich gleichmäßig über alle Schichten. Das zeigte, dass Plutonium die Erde in einem kontinuierlichen Strom erreichte - unabhängig von Supernova-Ereignissen. Das ist ein wichtiger Befund: Er legt nahe, dass die schwersten Elemente nicht bei gewöhnlichen Supernovae entstehen, sondern bei weit selteneren Ereignissen.
"Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Plutonium aus sehr seltenen kosmischen Explosionen stammt, wie sie etwa beim Verschmelzen zweier Neutronensterne auftreten würden. Seitdem hat es sich im Weltraum verteilt", sagt Prof. Anton Wallner, Leiter der Abteilung Beschleuniger-Massenspektrometrie und Isotopenforschung am HZDR.
Photo: Vedrana Filipović / UnsplashDie Nadel im kosmischen Heuhaufen: HAMSTER und DREAMS
Wer versteht, wie schwierig diese Messungen sind, begreift die eigentliche Ingenieursleistung dahinter. In einer ein Gramm schweren Probe aus dem Sediment verteilen sich vielleicht ein paar tausend Fe-60-Atome wie Stecknadeln in einem Heuhaufen in einer Menge von Milliarden mal Milliarden der allgegenwärtigen und stabilen Eisenatome mit der Atommasse 56. Obendrein erfasst selbst die empfindlichste Messmethode vielleicht nur jedes fünftausendste Teilchen.
Das Werkzeug der Wahl ist die Beschleuniger-Massenspektrometrie (AMS). Spuren dieser Ereignisse finden sich auf der Erde oder dem Mond und lassen sich mit der Beschleuniger-Massenspektrometrie oder kurz AMS genannten Methode nachweisen. Am HZDR stehen dafür zwei Anlagen bereit: die etablierte DREAMS-Anlage und die neue HAMSTER-Anlage.
Prof. Anton Wallner leitet am HZDR die Abteilung "Beschleuniger-Massenspektrometrie und Isotopenforschung" und arbeitet mit seinem Team an einer neuen Messanlage, die imstande ist, winzigste Spuren ferner Sternenexplosionen einzufangen. Die Anlage trägt den Namen Helmholtz Accelerator Mass Spectrometer Tracing Environmental Radionuclides - oder abgekürzt HAMSTER.
HAMSTER basiert auf einem 1-MV-Tandem-Beschleuniger mit einem neuen Ionenkühler mit laserbasierter Isobarentrennung sowie erweiterten Aktinid-Messfähigkeiten. HAMSTER wird derzeit eingerichtet und basiert auf einem 1-MV-Tandem-Beschleuniger mit einem neuen Ionenkühler mit laserbasierter Isobarentrennung sowie erweiterten Aktinid-Messfähigkeiten. Das Instrument wird sowohl in der Grundlagenphysik als auch in Beschleunigeranwendungen eingesetzt, die von der Umwelt und den Ressourcen bis zur Astrophysik reichen.
SUPREME: 500 Millionen Jahre kosmische Geschichte entschlüsseln
Das ERC-geförderte Projekt SUPREME ist die logische Erweiterung dieser Arbeit. Der Name steht für Supernova and r-process radionuclides engraved on million-years old archives from Earth and Moon.
Mit dem Vorhaben SUPREME untersuchen Prof. Dr. Anton Wallner und sein Team vom HZDR, wie in kosmischen Explosionen - zum Beispiel in Supernovae oder Neutronensternverschmelzungen - schwere Elemente gebildet werden und ob derartige Ereignisse Auswirkungen auf das Erdklima und die Biosphäre hatten. Mithilfe einer neuartigen Variante der Beschleuniger-Massenspektrometrie werden am HZDR in Mondproben der NASA, in Proben vom Tiefseeboden und in Eisbohrkernen einzelne Atome nachgewiesen, die von diesen interstellaren Ereignissen der letzten 500 Millionen Jahre stammen.
Das Projekt SUPREME wurde vom Europäischen Forschungsrat (ERC) mit rund drei Millionen Euro im Rahmen eines ERC Advanced Grant gefördert.
Das Projekt adressiert zwei fundamentale Fragen der modernen Astrophysik: Wie entstehen die schwersten Elemente im Universum, und welche Auswirkungen hatten nahe Supernovae auf die Erdumgebung und die biologische Evolution?
Was das für die Grundlagenforschung bedeutet
Man muss kein Astrophysiker sein, um die Tragweite dieser Forschung zu verstehen. Die Frage, wo Gold, Platin, Uran und Plutonium entstehen, ist keine akademische Spielerei. Eines der großen Rätsel der Astrophysik - der Physik allgemein - ist: Wo und wann werden die schweren Elemente im Kosmos gebildet?
Die bisherigen Befunde deuten darauf hin, dass Supernovae allein nicht ausreichen. Ein internationales Forschungsteam unter Leitung des HZDR konnte zeigen, dass das letzte nahe kosmische Ereignis, das solche Elemente erzeugte, mehr als 100 Millionen Jahre zurückliegt. Neutronensternverschmelzungen - extrem seltene, extrem energiereiche Ereignisse - rücken damit als Hauptquelle in den Fokus.
Trümmer regnen noch immer auf die Erde nieder, mehr als 100 Millionen Jahre nach der gewaltigen kosmischen Explosion, die sie erzeugte. Zu diesem Schluss kommt eine Studie, die in Nature Astronomy veröffentlicht wurde.
Die nächsten Schritte sind bereits geplant: Die Forschenden blicken bereits auf die nächsten Untersuchungen. Mithilfe von Mondproben der NASA wollen sie die Geschichte dieser seltenen kosmischen Ereignisse künftig noch genauer rekonstruieren.
Grundlagenforschung dieser Art liefert keine kurzfristigen Ergebnisse - und das ist ihr Wert. Wer verstehen will, aus welchem Stoff das Universum gemacht ist, muss bereit sein, in Zeiträumen von Hunderten von Millionen Jahren zu denken und dabei in Proben zu suchen, die kleiner sind als eine Münze. Das HZDR und Anton Wallner zeigen, dass Deutschland in dieser Disziplin zur Weltspitze gehört.
Was ist der r-Prozess und warum ist er so wichtig?
Der Rapid Neutron-Capture Process (r-Prozess) ist ein nuklearer Prozess, bei dem Atomkerne in extrem kurzer Zeit viele Neutronen einfangen. Dabei entstehen die schwersten natürlichen Elemente – Gold, Platin, Uran, Plutonium. Er findet vermutlich bei Neutronensternverschmelzungen oder bestimmten Supernovae statt und ist eine der Hauptquellen für die schweren Elemente im Universum.
Warum sucht man Spuren kosmischer Explosionen im Meeresboden?
Ferromangankrusten am Meeresboden wachsen extrem langsam – nur wenige Millimeter pro Million Jahre – und speichern dabei alle Stoffe aus ihrer Umgebung, auch radioaktive Isotope aus dem Weltall. Sie sind damit natürliche geologische Archive, die kosmische Ereignisse über Hunderte von Millionen Jahren aufzeichnen.
Was ist die HAMSTER-Anlage am HZDR?
HAMSTER steht für Helmholtz Accelerator Mass Spectrometer Tracing Environmental Radionuclides. Es handelt sich um eine neue, hochempfindliche Beschleuniger-Massenspektrometrie-Anlage am HZDR in Dresden, die speziell dafür gebaut wurde, extrem seltene radioaktive Isotope nachzuweisen – darunter auch solche, die ihren Ursprung in kosmischen Explosionen haben.
Was ist das Ziel des Projekts SUPREME?
SUPREME (Supernova and r-process radionuclides engraved on million-years old archives from Earth and Moon) will die Geschichte naher kosmischer Explosionen der vergangenen 500 Millionen Jahre rekonstruieren. Dazu werden Mondproben der NASA, Tiefseeproben und Eisbohrkerne auf interstellare Isotope untersucht. Das Projekt wird vom Europäischen Forschungsrat (ERC) mit rund drei Millionen Euro gefördert.
