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Nachweis mehrerer Supernova-Explosionen in Erdnähe

Gemeinsame Pressemitteilung von HZDR und Uni Wien vom 6.04.2016

Einem internationalen Forscherteam unter Federführung der Australian National University (ANU) ist es gelungen, die interstellaren Überreste mehrerer Supernova-Explosionen am Meeresgrund von gleich drei Ozeanen nachzuweisen. Die neuen Daten aus verschiedenen Tiefseearchiven zeigen, dass das Material von massereichen Sternen außerhalb unseres Sonnensystems kommen muss. Das Team konnte zudem belegen, dass nicht eine, sondern mehrere Supernovae in den letzten zehn Millionen Jahren ihre Spuren auf der Erde hinterlassen haben. Arbeiten am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) haben maßgeblich zur Altersbestimmung der Proben beigetragen. Die Ergebnisse wurden heute im Fachmagazin Nature veröffentlicht.

Am Ende ihres Lebens produzieren massereiche Sterne viele neue Elemente, unter anderem auch langlebige, radioaktive Atome, die mit Halbwertzeiten von bis zu einigen Millionen von Jahren sehr langsam zerfallen. Dazu gehört auch das Eisenisotop Fe-60 mit einer Halbwertszeit von 2,6 Millionen Jahren, das auf der Erde praktisch nicht natürlich vorkommt. Massereiche Sterne enden ihr Dasein mit einer sogenannten Supernova-Explosion. Explodiert ein Stern, wird das frisch produzierte Fe-60 in großen Mengen ins Weltall geschleudert. Geschieht dies nahe genug an unserem Sonnensystem, dann besteht die Möglichkeit, dass ein Teil davon auf die Erde gelangt.

Einen ersten Hinweis darauf, dass extraterrestrisches Fe-60 auf unserem Planeten zu finden ist, erbrachten Wissenschaftler bereits vor mehr als zehn Jahren. Eine Forschergruppe der TU München konnte das Isotop in geringen Konzentrationen in Mangankrusten am Grund des Pazifischen Ozeans nachweisen. Doch erst jetzt hat ein internationales Forscherteam aus Australien, Deutschland, Österreich, Israel und Japan herausgefunden, dass eine Serie von Sternenexplosionen für den Eisenstaub auf unserer Erde verantwortlich ist.

Forscher der ANU, der Universität Wien, des HZDR, der Hebräische Universität Jerusalem und der Universität Tokio untersuchten dazu den Isotopengehalt und das Alter von mehreren Tiefseeproben aus dem Pazifik, Südatlantik und dem Indischen Ozean. Als Proben dienten Sedimente, Manganknollen und Mangankrusten. Sie entstehen, indem sich Materialschichten nach und nach ablagern. Dabei konservieren sie die Zusammensetzung ihrer Umgebung über Millionen von Jahren hinweg und gelten deshalb als geologische Archive.

Unter Leitung des Physikers Dr. Anton Wallner von der ANU konnte das Team nachweisen, dass Fe-60-Isotope in bestimmten Altersschichten in all diesen Tiefseearchiven steckt. Außerdem fand sich in allen Archiven ein ähnliches Zeitmuster. Das Alter der Schichten wurde mit Hilfe von terrestrischen Radioisotopen, des Berylliumisotops Be-10 und des Aluminiumisotops Al-26, bestimmt: Fe-60-Atome hatten sich in gleich mehreren Altersschichten eingelagert – in solchen mit einem Alter von 1,7 bis 3,2 sowie in einem früheren Zeitbereich zwischen 6,5 bis 8,7 Millionen Jahren. Überraschenderweise waren die Signale über einen viel längeren Zeitbereich hinweg nachzuweisen als ursprünglich erwartet. Das bedeutet, dass unsere Erde in den letzten Millionen Jahren Zeuge nicht einer einzigen – wie lange vermutet –, sondern gleich mehrerer Supernova-Explosionen war.

DREAMS am HZDR-Ionenstrahlzentrum
Für die Altersbestimmung der Manganknollen und Sedimente nutzten die Forscher unter anderen auch das Beschleunigerlabor DREAMS am Ionenstrahlzentrum des HZDR.
Foto: HZDR/O. Killig
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Der Nachweis der radioaktiven Isotope gelang mit der Beschleunigermassenspektrometrie (AMS, Englisch für Accelerator Mass Spectrometry). Mit dieser Methode sind Forscher in der Lage, extrem niedrige Isotopenkonzentrationen zu bestimmen. Sie ist so empfindlich, dass unter einer Billiarde (1.000.000.000.000.000) stabiler Eisenatome von der Erde ein einziges extraterrestrisches Fe-60-Atom identifiziert werden kann.

Für die Analyse der Proben nutzte die Gruppe unterschiedliche Beschleunigeranlagen, die für die jeweilige Aufgabe am besten geeignet waren. Dazu gehört die HIAF-Anlage (Heavy Ion Accelerator Facility) am Institut für Nuklearphysik der ANU. Dort wurden die Tiefseearchive auf das Isotop Fe-60 untersucht. Der Beschleuniger ist so groß, dass Ionen auf viel höhere Energien beschleunigt werden können als an typischen AMS-Anlagen. Dies ist notwendig, um störende Atome ähnlicher Masse abzutrennen. „Die Supernova-Explosionen selbst haben wohl zu einer erhöhten Intensität von kosmischer Strahlung geführt. Sie waren glücklicherweise weit genug entfernt, so dass es keine direkten Auswirkungen auf das organische Leben auf der Erde gab", erklärt der Erstautor Dr. Anton Wallner.

Das DREAMS-Labor am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf nutzte das internationale Forscherteam, um in monatelanger Vorarbeit die chemische Aufbereitung von Sedimenten und Manganknollen durchzuführen. DREAMS ist ein Beschleunigerlabor und steht für DREsden Accelerator Mass Spectrometry. Unter der Leitung von Dr. Silke Merchel vom Helmholtz-Institut Freiberg für Ressourcentechnologie (HIF) am HZDR konnten hier die Isotope Fe-60, Be-10 und Al-26 aus dem Probenmaterial extrahiert und später an den unterschiedlichen Standorten nachgewiesen werden. Im Anschluss daran erfolgte an der DREAMS-Anlage, unter Koordination des HIF-Wissenschaftlers Dr. Georg Rugel, die Altersbestimmung der Proben mittels des Berylliumisotops Be-10.

Auch an der Fakultät für Physik, Isotopenforschung und Kernphysik der Universität Wien bestimmten die Forscher das Probenalter. „Der Beschleunigermassenspektrometer VERA (Vienna Environmental Research Accelerator) musste dafür fast fünf Monate lang Be-10 und Al-26 Atome zählen, um die nötige Genauigkeit zu erreichen", ergänzt Dr. Jenny Feige, Co-Autorin und Gastwissenschaftlerin am HZDR.

Mit einer geschätzten Entfernung von rund 300 Lichtjahren waren diese Supernova-Explosionen so hell, dass sie auch bei Tageslicht sichtbar waren und eine Helligkeit vergleichbar mit unserem Mond erreichten.


Publikation:

A. Wallner, J. Feige, N. Kinoshita, M. Paul, L.K. Fifield, R. Golser, M. Honda, U. Linnemann, H. Matsuzaki, S. Merchel, G. Rugel, S.G. Tims, P. Steier, T. Yamagata, S.R. Winkler, „Recent near-Earth supernovae probed by global deposition of interstellar radioactive 60Fe“, Nature (DOI: 10.1038/nature17196)


Weitere Informationen:

Dr. Silke Merchel
Helmholtz-Institut Freiberg für Ressourcentechnologie am HZDR
Tel.: +49 351 260 2802 | Email: s.merchel@hzdr.de | www.hzdr.de/ams 

Dr. Anton Wallner
Department of Nuclear Physics, Australian National University
Tel.: +61 2 612 52074 | Email: anton.wallner@anu.edu.au 

Dr. Jenny Feige
Zentrum für Astronomie und Astrophysik, TU Berlin
Tel.: +49 30 314 22092 | Email: feige@astro.physik.tu-berlin.de 

Pressekontakte:

Tina Schulz | Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Helmholtz-Institut Freiberg für Ressourcentechnologie am HZDR
Tel.: +49 351 260 4427 | Email: t.schulz@hzdr.de