Eisenisotope geben Hinweis auf Ursprungsort Woher stammt der Asteroid Ryugu?

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Max Planck Institut für Sonnensystemforschung

In der Wissenschaft sind diese Proben wertvoller als Gold: Staub des Asteroiden Ryugu. Mit diesen Proben entschlüsseln Forscher den Geburtsort des astronomischen Kleinkörpers und grenzen dessen Verwandtschaftsverhältnisse ein.

Gerade einmal fünf Gramm Gesteinsmaterial enthielt die Probenkapsel, die am 5. Dezember 2020 nahe der Stadt Woomera im australischen Bundesstaat South Australia niederging. Ihr „Absender“ war die japanische Raumsonde Hayabusa 2. Nachdem die Sonde das Gestein ein Jahr zuvor vom Asteroiden Ryugu eingesammelt hatte, nutzte sie den Vorbeiflug an der Erde, um ihre wertvolle Fracht abzuliefern – bevor sie zur nächsten Asteroidenbegegnung weiterreiste. 2031 soll sie ihr zweites Ziel passieren: den Asteroiden 1998 KY26.

Die in der Kapsel enthaltenen Gesteinsproben sind die zweiten, die jemals von einem Asteroiden zur Erde gebracht wurden. Ein wichtiger Schritt für die Forschung. Denn präzise Messungen, die Aufschluss über Zusammensetzung, Beschaffenheit, Herkunft und Entwicklung des kosmischen Brockens geben können, sind nur in irdischen Labors möglich – und nicht etwa an Bord der Raumsonde.

Knapp zwei Jahre nach Eintreffen der Proben auf der Erde liegen nun erste Ergebnisse vor. Sie bescheinigen den Gesteinsproben unter anderem eine körnige, lockere Struktur, einen Werdegang, bei dem über einen langen Zeitraum Mineralien mit Wasser reagierten – und die Daten belegen, dass Ryugu Aminosäuren und andere komplexe organische Moleküle enthält. Zu den vielen offenen Fragen zählt die nach dem Entstehungsort Ryugus. Dieser Frage geht eine aktuelle Studie mit Beteiligung des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung MPS und der Universität Göttingen nach.

Geboren im Schatten der Gasriesen

Der kohlenstoffreiche Asteroid Ryugu, der etwa einen Kilometer im Durchmesser misst und dessen Form an eine abgerundete Doppelpyramide erinnert, zählt zur Klasse der erdnahen Objekte. Diese Körper ziehen ihre Bahnen in einem ähnlichen Abstand um die Sonne wie die Erde. Forscher gehen jedoch davon aus, dass Asteroiden dieser Art im inneren Sonnensystem lediglich Zugezogene sind und den größten Teil ihres Daseins im Asteroidengürtel zwischen den Umlaufbahnen von Mars und Jupiter verbracht haben.

Der eigentliche Geburtsort vieler Körper des Asteroidengürtels dürfte noch weiter außen im Sonnensystem liegen. Messungen und Simulationen sprechen dafür, dass kohlenstoffreiche Asteroiden (ebenso wie die kohlenstoffreichen Meteoriten, so genannte kohlige Chondrite) ihren Ursprung im äußeren Sonnensystem haben: die meisten von ihnen in der Nähe der Entstehungsorte von Jupiter und Saturn, einige wenige möglicherweise sogar im Einflussbereich von Uranus und Neptun. Erst das Wachsen der vier Gasriesen wirbelte die Asteroiden dann in den Asteroidengürtel.

Der Eisenmix verrät die Herkunft

„Alle Untersuchungen deuten darauf hin, dass Ryugu wie die kohligen Chondrite ein Kind des äußeren Sonnensystems ist“, fasst Dr. Timo Hopp von der University of Chicago, Erstautor der aktuellen Studie, den bisherigen Kenntnisstand zusammen. Der Wissenschaftler forscht mittlerweile am MPS. Ob der Entstehungsort Ryugus jedoch in der Nähe von Jupiter und Saturn oder noch weiter entfernt von der Sonne zu verorten ist, ließ sich bisher nicht klären.

Zu diesem Zweck wandte sich die Forschergruppe um Hopp den Eisenisotopen in den Gesteinsproben des Asteroiden zu. Wissenschaftler gehen davon aus, dass die Isotope bestimmter Elemente in der Geburtsstunde des Sonnensystems nicht gleichmäßig verteilt waren. Je nachdem wo ein Körper entstanden ist, stand somit Baumaterial mit unterschiedlichen Isotopenverhältnissen zur Verfügung. Diese Verhältnisse enthalten noch heute Informationen über den Entstehungsort eines Körpers.

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Für ihre Analysen untersuchten die Forscher vier Proben des Asteroiden Ryugu sowie zum Vergleich Proben 13 verschiedener Meteoriten, die unterschiedliche Meteoritengruppen repräsentieren. Die meisten von ihnen sind wie Ryugu kohlenstoffreich. „Das Verhältnis bestimmter Eisenisotope zueinander ist ein hervorragender Marker, um einige dieser Gruppen nach ihren Entstehungsorten voneinander zu unterscheiden“, sagt MPS-Direktor und Ko-Autor Prof. Dr. Thorsten Kleine.

Nachdem die Gesteinsproben von Ryugu in Japan aufwändig chemisch präpariert wurden, wurden sie nach Chicago transportiert. Nach weiteren vorbereitenden Schritten analysierte Hopp die Proben mithilfe eines Multikollektor-Plasma-Massenspektrometers und bestimmte so Unterschiede in den Mengenverhältnissen verschiedener Eisenisotope auf wenige Teile pro Million genau.

Verwandtschaften von Weltraumwanderern untersucht

Wie sich zeigte, unterscheiden sich diese Verhältnisse im Fall des Asteroiden Ryugu deutlich von dem der meisten untersuchten Meteoriten. Lediglich eine Gruppe von Meteoriten bildet eine Ausnahme: die CI-Chondriten, die nach dem tansanischen Fundort ihres bekanntesten Vertreters auch als Meteoriten vom Ivuna-Typ bezeichnet werden. „Es besteht eine auffällige Verwandtschaft zwischen dem Asteroiden Ryugu und den vergleichsweise seltenen Meteoriten der CI-Gruppe“, sagt Hopp. „Unsere Messungen belegen, dass Ryugu und Meteorite des Ivuna-Typs im selben Bereich des frühen Sonnensystems entstanden sind und dass dieser Bereich nicht mit dem Entstehungsort anderer kohliger Chondrite zusammenfällt“, fügt er hinzu.

„Alles in allem spricht viel dafür, dass wir mit Ryugu und den Meteoriten vom Ivuna-Typ Überbleibsel der frühen Körper gefunden haben, die sich am äußersten Rand des Sonnensystems gebildet haben“, erläutert Ko-Autor Prof. Dr. Andreas Pack von der Abteilung für Geochemie und Isotopengeologie der Georg-August-Universität Göttingen.

Bereits frühere Studien hatten Ähnlichkeiten zwischen dem Asteroiden Ryugu und Meteoriten vom Ivuna-Typ gefunden, etwa in Hinblick auf ihre chemische und mineralogische Zusammensetzung. In der Fachzeitschrift Science berichtet eine Forschergruppe von einem weiteren Hinweis: Auch die Gase, welche die Proben von Ryugu während ihrer Reise zur Erde in der Probenkapsel ausgedünstet haben, deuten auf Gemeinsamkeiten mit diesen exotischen Meteoriten hin.

Originalpublikation: Timo Hopp et al.: Ryugu’s nucleosynthetic hertiage from the outskirts of the Solar System, Science Advances, 20. Oktober 2022, DOI: 10.1126/sciadv.add8141

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