Die künstlerische Darstellung zeigt eine ringförmige Scheibe aus Staub um einen hellen Stern.

„Sternenstaub ist häufiger als lange angenommen“

Staubkörner von lange verglühten Sternen gehören zu den Bausteinen auch unseres Sonnensystems. Neue Analyseverfahren, die solchen Sternenstaub in Meteoriten mit bislang unerreichter Präzision nachweisen können, zeigen: Er ist gar nicht so selten wie bislang angenommen. Über die nun in der Fachzeitschrift „Nature Astronomy“ veröffentlichten Ergebnisse sprach Welt der Physik mit Peter Hoppe vom Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz.

Welt der Physik: Welche Art von Sternenstaub untersuchen Sie an Ihrem Institut?

Peter Hoppe: Der Sternenstaub, der uns interessiert, stammt von fernen Sternen, die längst verglüht sind. Am Ende ihrer Lebenszeit blähen sich massereiche Sterne zu Roten Riesen auf oder explodieren sogar als Supernova. Dabei werden gigantische Mengen an Material ins All geblasen. Ein Teil davon kondensiert noch in der Nähe des Sterns zu Staubkörnern. Diese Staubkörner tragen dadurch auch Informationen über die Zusammensetzung ihres Ursprungssterns in sich. Es gibt verschiedene interessante Minerale unter diesen Staubkörnern – Siliziumkarbid, Graphit, Oxide und Silikate. Indem wir diese Staubkörner möglichst präzise untersuchen, lernen wir also gleich mehrere Dinge: einerseits, welche Arten von Sternen diese Staubkörner ursprünglich erzeugt haben, und andererseits, zu welchem Anteil unser eigenes Sonnensystem aus solchem Sternenstaub besteht. Nach unseren neuesten Ergebnissen ist Sternenstaub häufiger, als von Meteoritenforschern lange angenommen wurde. Vermutlich stammen einige Prozent des ursprünglichen, festen Materials unseres Sonnensystems aus solchen Staubkörnern.

Überreste einer Supernova
Überreste einer Supernova

Was unterscheidet diese Staubkörner physikalisch von der übrigen Materie, aus denen unser Sonnensystem besteht?

Streng genommen sind ja praktisch alle schweren Elemente jenseits von Wasserstoff und Helium Sternenstaub. Das heißt, es handelt sich um Produkte von Sternen, die entweder durch Sternenwinde oder Supernovae ins All geblasen wurden. Die dünne interstellare Materie, die den Raum zwischen den Sternsystemen einer Galaxie erfüllt, ist letztlich eine Mischung aus solcher ausgestoßenen Materie und dem seit dem Urknall vorliegenden Wasserstoff- und Heliumgas. Die Zusammensetzung des interstellaren Mediums – aus dem auch unser Sonnensystem hervorging – spiegelt also nicht eine bestimmte Quelle wider, sondern lediglich die Durchschnittsverteilung der Elemente und Isotope in einer bestimmen galaktischen Region. Die Körner aus Sternenstaub hingegen können wir eindeutig einem bestimmten Sternentyp zuordnen. Die entsprechenden Sterne sind zwar schon lange verglüht und wir können sie nicht mehr am Himmel beobachten. Aber den Typ können wir schon angeben.

Können Sie aus dem Sternenstaub besonders interessante Rückschlüsse auf die Sterne ziehen, die vor Jahrmilliarden geleuchtet haben?

Aus den gemessenen Isotopenzusammensetzungen wissen wir, dass der größte Teil des Sternenstaubs aus Roten Riesensternen in einer späten Entwicklungsstufe, dem sogenannten asymptotischen Riesenast, stammt. Darüber hinaus haben auch Supernovae einen wichtigen Beitrag geliefert. Aus den Isotopenzusammensetzungen lassen sich nun beispielsweise detaillierte Rückschlüsse über Kernfusionsreaktionen in den Muttersternen oder auch über die Mischung von Materie im Auswurf von Supernova-Explosionen ziehen.

Das Bild zeigt die Struktur des Staubkorns aus Siliziumkarbid, welche mit einem Rasterlektronenmikroskop aufgenommen wurde.
Staubkorn aus Siliziumkarbid

Wie finden Sie diese Staubkörner?

Auf der Erde oder den anderen großen Himmelskörpern hat man keine Chance, solche Staubkörner zu identifizieren. Die Erde hat viel zu viele geologische Prozesse durchgemacht, bei denen das ursprüngliche Material zigfach durchmischt und letztendlich zerstört wurde. Bei besonders primitiven Meteoriten ist das anders: Sie sind chemisch und physikalisch weitestgehend unverfälscht und spiegeln die Zusammensetzung unseres Sonnensystem zur Zeit seiner Entstehung wider. In der Antarktis und in der Sahara gestaltet sich die Suche nach Meteoriten besonders einfach: Alle neueren Felsbrocken, die auf dem Eis oder dem Sand liegen, sind mit einer guten Wahrscheinlichkeit Meteoriten. Wir haben jetzt drei besonders ursprüngliche Meteoriten untersucht, die in der Antarktis und der Sahara entdeckt wurden. Zunächst wird der Stein fein aufgeschliffen. Dann rastern wir die Oberfläche mit einem speziellen Ionenstrahl ab und können dadurch die Isotopenzusammensetzung bestimmen – also gewissermaßen den physikalischen Fingerabdruck nehmen. An einigen Stellen weicht diese Zusammensetzung deutlich von den Durchschnittswerten ab. In diesen häufig nur 100 bis 200 Nanometer durchmessenden Bereichen ist also untypisches Material eingebaut: Sternenstaub!

Haben sich diese Staubkörner denn seit ihrer Entstehung nicht verändert?

Das Interessante dabei ist, dass diese Staubkörner die Hunderte Millionen Jahre lange Reise durch das interstellare Medium überstanden haben, ohne dabei allzu starken chemisch-physikalischen Einflüssen zu unterliegen. Und als sie dann mit anderem Material zu den Mutterkörpern der Meteoriten, den Asteroiden, zusammengeklumpt sind, waren sie für die folgenden viereinhalb Milliarden Jahre, die unser Sonnensystem alt ist, vor weiteren äußeren Einflüssen – wie insbesondere der kosmischen Strahlung – weitestgehend geschützt. Wir können dank dieser Staubkörner also heute noch die Bedingungen zu ihrer Entstehungszeit vor ungefähr fünf Milliarden Jahren nachvollziehen.

Welches sind die nächsten Forschungsvorhaben auf diesem Gebiet?

Besonderes Augenmerk gilt den Staubkörnern aus Supernova-Explosionen. Wir haben ein Verfahren entwickelt, mit dem man gezielt nach Supernova-Staub in Meteoriten suchen kann. Das wird es uns ermöglichen, noch wesentlich detailliertere Einblicke als bisher in die physikalischen Vorgänge bei diesen gewaltigen Explosionen zu gewinnen.