Eisbohrkern löst kosmisches Eisen-60-Rätsel

Sternenstaub im ewigen Eis: Das Isotop Eisen-60 gilt als Anzeiger für nahe Sternexplosionen – aber warum kommt diese exotische Atomsorte selbst in frischem antarktischem Schnee vor? Eine mögliche Antwort auf dieses Rätsel liefert nun ein Eisbohrkern aus der Antarktis, dessen Schichten bis zu 80.000 Jahre zurückreichen. Analysen enthüllen, dass der erhöhte Einstrom von Eisen-60 erst vor rund 40.000 Jahren begonnen hat. Das Spannende daran: Etwa seit dieser Zeit zieht das Sonnensystem durch eine lokale interstellare Wolke. Ist sie der Ursprung des exotischen Eisen-Isotops?

Viele Elemente unseres chemischen Periodensystems entstanden einst im Inneren von massereichen Sternen. Als diese am Ende ihres Lebenszyklus explodierten, wurden die Atome frei und verteilten sich mit Gas und Staub im interstellaren Medium. Dazu gehört auch das radioaktive Isotop Eisen-60 mit einer Halbwertszeit von rund 2,6 Millionen Jahren. Weil dieses Isotop von Natur aus auf der Erde nicht vorkommt, muss das in irdischen Materialien nachgewiesene Eisen-60 durch Partikel aus Supernovae auf unseren Planeten gelangt sein.

Tatsächlich sprechen Funde von Eisen-60 in Meeressedimenten und Fossilien dafür, dass es vor rund 1,8 bis 2,5 Millionen Jahren mehrere nahe Supernovae gegeben haben könnte. Astronomische Daten legen zudem nahe, dass unser Sonnensystem seit rund fünf Millionen Jahren durch eine lokale Blase wandert, die durch eine Kette von früheren Supernovae gebildet wurde. In jüngerer Zeit gab es dagegen keine nahegelegenen Sternexplosionen, daher dürfte es auch keinen „frischen“ Nachschub von Eisen-60 auf der Erde geben – so dachte man.

Wie kommt Eisen-60 in frischen Schnee?

Umso überraschender war im Jahr 2019 der Nachweis dieses Supernova-Anzeigers in frisch gefallenem Schnee der Antarktis. In den weniger als 20 Jahre alten Schneeproben detektierten Forschende fünf Eisen-60-Partikel, die weder durch Atomwaffentests noch durch kosmische Strahlung entstanden sein konnten. Aber woher kommt dieses exotische Eisen-Isotop dann? Um mehr darüber herauszufinden, hat nun ein Team um Dominik Koll vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf ergänzende Analysen durchgeführt.

Für ihre Studie analysierten Koll und seine Kollegen Proben aus einem Eisbohrkern, der im Rahmen des Projekts EPICA auf dem antarktischen Plateau entnommen wurde. Dafür wurden die Eisproben in Dresden zunächst aufbereitet und mittels Massenspektrometrie auf durch kosmische Strahlung erzeugte Isotope wie Beryllium-10 und Aluminium-26 untersucht. Für den Nachweis von Eisen-60 brachte das Team seine aufbereiteten Proben nach Australien zur Heavy Ion Accelerator Facility in Canberra. Sie ist die einzige Anlage weltweit, die selbst winzige Mengen dieses Isotops detektieren kann. „Das ist, als würde man eine Nadel in 50.000 bis zur Decke mit Heu gefüllten Fußballstadien suchen. Die Maschine findet die Nadel in einer Stunde“, erklärt Co-Autorin Annabel Rolofs von der Universität Bonn.

Eisbohrkern enthüllt überraschend schnellen Wandel

Die Analysen lieferten ein interessantes Ergebnis: Vor 40.000 bis 80.000 Jahren erreichte weniger Eisen-60 die Erdoberfläche als zur Zeit der Supernovae vor rund zwei Millionen Jahren – aber auch weniger als heute. Mit rund 0,22 Eisen-60-Atomen pro Quadratzentimeter und Jahr liegt die im Eisbohrkern gemessene Depositionsrate unter der im frischen antarktischen Schnee und in Meeressedimenten aus den letzten Jahrtausenden, wie Koll und sein Team berichten.

Das bedeutet: Die abgelagerte Menge dieses seltenen Eisen-Isotops hat sich innerhalb weniger zehntausend Jahre signifikant verändert – auf kosmischen Zeitskalen ist das bemerkenswert schnell, wie die Forschenden erklären. Das legt nahe, dass die frischen Ablagerungen eine andere Ursache haben müssen als bloß der abflauende Einstrom der Millionen Jahre alten Supernovae oder die kosmische Strahlung.

Lokale interstellare Wolke als kosmisches Archiv?

Doch wie ist dieser frische Einstrom von Eisen-60 dann zu erklären? „Unsere Idee war, dass die lokale interstellare Wolke Eisen-60 enthält und über längere Zeiträume speichern kann“, erklärt Koll. Diese lokale Wolke ist einer der vielen dichteren Staub- und Gasklumpen im interstellaren Medium der lokalen Blase. Unser Sonnensystem ist vor rund 40.000 bis 64.000 Jahren in diese lokale Wolke eingetreten und durchzieht sie zurzeit an deren Rand.

Schon länger diskutieren Astronomen darüber, ob der Staub dieser interstellaren Wolke eine Art kosmisches Archiv darstellt, in dem Gas und Staub aus vergangenen Supernovae angereichert sind. „Wenn die lokale interstellare Wolke ein solches Archiv ist, dann müsste sich der Übergang der Erde vom weniger dichten interstellaren Medium in diese Wolke auch in einem veränderten Einstrom von Eisen-60 zeigen“, erklären die Forschenden.

Neue Einblicke in unsere kosmische Umgebung

Genau diese Veränderung haben Koll und sein Team nun erstmals nachgewiesen: Der von ihnen im Eisbohrkern detektierte Wandel der Eisen-60-Konzentrationen ereignete sich vor rund 40.000 Jahren – und damit ungefähr zu der Zeit, als das Sonnensystem in die lokale interstellare Wolke eintrat. „Die Bahn des Sonnensystems würde daher das experimentell ermittelte Zeitprofil der Eisen-60-Ablagerung erklären“, schreibt das Team. Koll ergänzt: „Das gibt uns erstmals auch die Möglichkeit, dem Ursprung dieser Wolken auf den Grund zu gehen.“

Nach Ansicht der Forschenden ist die lokale interstellare Wolke aber kein reiner Supernova-Überrest, denn dafür ist die aktuelle Eisen-60-Depositionsrate zu gering. Stattdessen halten sie es für wahrscheinlicher, dass diese Wolke aus altem interstellarem Staub besteht, der durch Teilchen von nahen Supernovae mit den Isotopen angereichert wurde. Das Team um Koll plant bereits weitere Analysen, unter anderem von einem noch älteren Eisbohrkern, der kürzlich im Rahmen des Projekts „Beyond EPICA“ in der Antarktis gewonnen wurde.

Quelle: Dominik Koll (Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, Dresden) et al., Physical Review Letters, 2026; doi: 10.1103/nxjq-jwgp

© wissenschaft.de – Nadja Podbregar