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Meteoriteneinschlüsse analysiert Die Sonne war ein sehr aktives Baby

| Autor/ Redakteur: Barbara Vonarburg* / Christian Lüttmann

Unser Zentralgestirn ist gut 4,5 Milliarden Jahre alt. Abgesehen von zyklischen Schwankungen ist unser Heimatstern heute eher ruhig und spendet verhältnismäßig konstant Licht und Wärme. Zur Zeit ihrer Entstehung sah das anders aus: Wie Forscher der ETH Zürich nun erstmals stichhaltig bewiesen haben, durchlief die Sonne in ihrer Anfangszeit eine sehr strahlungsaktive Phase.

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So könnte unser Sonnensystem bei der Geburt ausgesehen haben: Der junge Stern sendet Strahlung und Materie in Form von Jets aus. Das Hubble-Bild zeigt das Objekt HH 24 in einer Sternentstehungsregion im Orion.
So könnte unser Sonnensystem bei der Geburt ausgesehen haben: Der junge Stern sendet Strahlung und Materie in Form von Jets aus. Das Hubble-Bild zeigt das Objekt HH 24 in einer Sternentstehungsregion im Orion.
(Bild: NASA, ESA; D. Padgett (NASA's GSFC), T. Megeath (U. Toledo), B. Reipu)

Zürich/Schweiz – Meteoriten können uns Geheimnisse über die Entstehung von Sternen und Planeten verraten. Doch dazu müssen Kosmochemiker zum Beispiel Spuren bestimmter Edelgase in den Proben analysieren, deren Konzentration verschwindend gering ist. Im Institut für Geochemie und Petrologie an der ETH Zürich steht ein Gerät, das genau das kann. „Dieses Massenspektrometer wurde hier gebaut und ist bei Helium- und Neonmessungen um einen Faktor 100 empfindlicher als jedes kommerzielle Gerät“, erklärt Henner Busemann, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Departement Erdwissenschaften und Mitglied des Nationalen Forschungsschwerpunkts Planets.

Weil das Instrument früher aus technischen Gründen an der Decke hing, erhielt es den Namen „Tom Dooley“ – in Anlehnung an den vermeintlichen Mörder, der im 19. Jahrhundert in den USA gehängt und in einem Folksong verewigt wurde.

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Meteoriteneinschlüsse bei der Geburt der Sonne

Mit Hilfe von Tom Dooley erzielten Forscher aus Chicago und Zürich neue Erkenntnisse über die Entwicklung unseres Sonnensystems. „Speziell konnten wir eine erhöhte Aktivität der jungen Sonne nachweisen“, sagt Geophysikerin Levke Kööp von der Universität Chicago. Eine ähnliche, aktive Phase kann man heute bei jungen, sonnenähnlichen Sternen beobachten, die verstärkt Röntgen- und Teilchenstrahlung in Form von Jets aussenden.

Die Forscher untersuchten Material eines großen Meteorits. Dieser Murchison-Meteorit wird in der Forschung aufgrund seiner großen Masse und ursprünglichen Zusammensetzung oft als Standardprobe verwendet. Er enthält unter anderem Einschlüsse, die reich an Kalzium und Aluminium sind und aus der Urzeit des Sonnensystems stammen. Diese so genannten CAIs (calcium-aluminum-rich inclusions) sind die ersten Minerale, die vor gut 4,5 Milliarden Jahren bei der Geburt der Sonne aus dem solaren Nebel kondensierten. Sie bildeten sich in der Nähe der Sonne aus 2000 Grad heißem Gasgemisch, das sich abkühlte, und wurden dann innerhalb weniger Millionen Jahre in äußere, sonnenentferntere Regionen des Sonnensystems transportiert, wo sie in Asteroiden eingebaut wurden.

Beweis für hohe Aktivität der Baby-Sonne

Das Team untersuchte zwei verschiedene Klassen von CAIs und maß deren Gehalt von Helium und Neon. Deren Isotope Helium-3 und Neon-21 entstehen, wenn CAIs kosmischer Strahlung ausgesetzt sind. Der Gehalt an Helium-3 und Neon-21 erlaubt deshalb Rückschlüsse auf die Bestrahlungsdauer, der die Minerale im Weltraum ausgesetzt waren. „Vom Murchison-Meteorit wissen wir, dass dieser rund 1,5 Millionen Jahre im All unterwegs war, bevor er 1969 in Australien auf die Erde stürzte“, erklärt Busemann. Auch eine der beiden untersuchten CAI-Klassen wies das gleiche Bestrahlungsalter auf. Die andere jedoch zeigte bei den Messungen mit Tom Dooley deutlich erhöhte Werte von Helium-3 und Neon-21. „Diese Klasse hat also nach ihrer Bildung und vor dem Einbau in den Mutterasteroiden von Murchison eine zusätzliche Bestrahlung bekommen“, sagt der ETH-Forscher.

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Präzises Messinstrument: Tom Dooley

Obwohl das Massenspektrometer Tom Dooley bereits vor zwanzig Jahren gebaut wurde, ist es weltweit nach wie vor das einzige Instrument, mit der sich selbst extrem geringe Konzentrationen der Isotope Helium-3 und Neon-21 zur Altersbestimmung nachweisen lassen. „Wir können hier an der ETH neue Instrumente entwickeln und die bestehenden instand halten, das ist ungemein wichtig“, sagt Busemann. Davon profitieren nicht nur die Kosmochemiker. Auch die Eawag führt regelmäßig Messungen mit Tom Dooley durch, um das Alter von Grund- und Seewasser zu bestimmen und so beispielsweise Mischungsprozesse zu studieren.

Dafür gibt es nur eine Erklärung: Die Sonnenstrahlung, die auch aus Teilchen besteht, muss bei der Entstehung dieser Minerale mindestens rund 50 mal stärker gewesen sein als später, als die zweite Klasse CAIs und das restliche Material des Murchison-Mutterkörpers kondensierte. Die eine Klasse CAIs erhielt also eine Vorbestrahlung. „Das macht diese Messungen so aufregend für uns“, sagt Busemann: „Dass die junge Sonne eine solch aktive Phase durchlief, wurde zwar schon aufgrund anderer früherer Messungen von Meteoritenmaterial vermutet, doch erst jetzt haben wir einen stichhaltigen Beweis dafür.“

Originalpublikation: Kööp L et al.: High early solar activity inferred from helium and neon excesses in the oldest meteorite inclusions. Nature Astronomy, 30. August 2018; DOI: 10.1038/s41550-018-0527-8

* B. Vonarburg, ETH Zürich, 8092 Zürich/Schweiz

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