Spezielles Eisen aus einer interstellaren Wolke hinterlässt auf Erden unverwechselbare Spuren. (Bildquelle: Adobe Firefly, generative KI)

Die Erde durchquert seit zehntausenden Jahren einen Friedhof. Wir wandern mit ihr gemeinsam und mit dem Rest des Sonnensystems durch eine weitläufige interstellare Wolke. Forscher fanden jetzt galaktische Fingerabdrücke, die ihre Geschichte neu aufrollen: exotische Isotope an einem der abgelegensten Plätze der Erde, im Eis der Antarktis.

Wir nehmen euch mit auf einen Ausflug zu fast 100.000 Jahre alten Tiefen, in ein einzigartiges irdisches Labor und schließlich hinauf ins kosmische Fahrwasser des Sonnensystems.

Ein ultra-rares Atom legt eine Spur

Eisbohrkerne hüten in ihrem Inneren Geheimnisse. Gefrierendes Wasser schließt stets auch Partikel aus der Atmo- und Hydrosphäre ein. Deshalb durchleuchten Wissenschaftler fortwährend Proben aus Gletschern. Was sie nun aber in 40.000 bis 80.000 Jahre alten Eismassen aus der Antarktis fanden, erstaunte sie: Eisen-60.

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Das ist zunächst vor allem eines, nämlich Eisen. Aber es unterscheidet sich in einem wichtigen Punkt von all dem vertrauten Metall, das wir auf der Erde kennen: Es hat Übergewicht. Die 60 beziffert die Masse. Normales Eisen kommt nur auf 56. Denn anstatt 30 stecken im Kern des schweren Vertreters 34 Neutronen. So definieren sich Isotope, sie gleichen sich ansonsten komplett, enthalten auch alle gleich viele Protonen und Elektronen – wiegen aber mehr oder weniger als der jeweils gängigste Vertreter eines Elements.

Diese vier zusätzlichen Neutronen enttarnen das Eisen als Fremdkörper auf Erden. Es kommt nämlich bei uns nicht vor – oder vielmehr nicht mehr.

Denn Eisen-60 entsteht nur in massiven Sternen, die in Supernovae ihren Tod finden. Von ihnen bleibt je nach exakter Masse entweder ein Neutronenstern oder ein schwarzes Loch, doch all die zuvor leuchtende Materie verteilt sich im Kosmos – und eben auch Eisen-60. Allerdings zerfällt das Metall-Isotop, da es instabil (radioaktiv) ist. Die Halbwertszeit beträgt 2,6 Millionen Jahre, was nichts anderes heißt, als dass sich die Menge etwa alle 2,6 Millionen Jahre halbiert.

In einer sehr kurzen Phase in der Frühzeit der Erde existierte das seltene Isotop also, verschwand aber lange bevor sich selbst die ältesten Eismassen der Antarktis auftürmten – geschweige denn relativ junge wie die untersuchten. Es dürfte nicht in den Proben vorkommen. Das Mysterium vertiefte sich, als die Wissenschaftler Eisen-60 sogar in jungen Schneeansammlungen fanden. Wo kommt es also her?

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Stellarer Regen mit besonderer Zutat

Eine Antwort beschreiben die Forscher in einer Studie, die das Fachblatt »Physical Review Letters« veröffentlichte. Sie belegen einen kosmischen Regen aus den seltenen Isotopen. Nach ihren Daten durchquert die Erde seit Zehntausenden von Jahren eine interstellare Staubwolke, die einst Supernovae hinterließen. Auch sie ereigneten sich vor Millionen von Jahren, aber sie liegen noch nicht so lange zurück, als dass das Eisen-60 komplett hätte zerfallen können.

Deshalb fällt ein steter Regen an interstellaren, instabilen Atomen auf die Erde hinab. Wir sammeln sie beim Durchflug durch die Wolke wie ein gravitativer Staubsauger ein und so gelangt ein winziger, aber nachweisbarer Anteil von Eisen-60 in das antarktische Eis. Über wie wenig Eisen-60 wir hier sprechen, erklärt Annabel Rolofs von der Universität Bonn:

Das ist, als würde man eine Nadel in 50.000 Fußballstadien suchen, die bis zur Decke mit Heu gefüllt sind.

Nur eine Maschine weltweit war hierzu laut den Forschern in der Lage, ein Massenspektrometer in der Heavy Ion Accelerator Facility (HIAF). Der Teilchenbeschleuniger steht an der Australian National University in Canberra. Er schießt geladene Teilchen durch ein Magnetfeld – schwere Isotope fliegen dabei auf einer anderen Bahn als leichte. So lassen sich selbst winzigste Massenunterschiede nachweisen.

Eine Reise durch wechselhafte Bewölkung

Nun dürfen wir uns diese interstellare Wolke nicht als dichtes, nebliges Phänomen vorstellen. Es entspricht mehr einem zarten Flaum aus Dunst, der kaum sichtbar eine Wiese bedeckt. Denn auch wenn sich die Überbleibsel im Eis verraten, hat sich die Masse inzwischen extrem verdünnt und weit verteilt.

Zum einen driftet die Materie immer noch mit dem einst durch die Supernova erhaltenden Impuls weiter. Und zum anderen zerren und stoßen Sterne wie unsere Sonne stetig an der losen Materie. Ersteres durch die Gravitation und letzteres dank des Strahlungsdrucks, der ununterbrochen von ihnen ausgeht.

Unruhiges Fahrwasser

Allerdings erkennen die Forscher mehr als nur die bloße Existenz des Eisen-60. Dank des Vergleichs der sich über zehntausende Jahre erstreckenden Zahlenreihen sehen sie deutliche Unterschiede: eine Zu- und Abnahme der gemessenen Mengen. Es zeigt sich mehrfach ein wellenförmiges Profil von langsam zunehmenden Werten bis zu einem Höhepunkt, gefolgt von allmählichem Abfall hin zu einem Tiefstwert – und wieder von vorn.

Daraus schließen die Forscher, dass wir nicht den Rest einer einzelnen Supernova durchqueren, sondern eines ganzen Schwarms. Eine exakte Angabe fällt schwer, aber Messdaten und Simulationen spannen eine Breite von 15 bis 20 explodierten Riesensternen auf. Selbst wenn sie Hunderttausende Jahre auseinanderlagen, überlagerten sich sowohl ihre Schockwellen als auch ihre zuvor erbrüteten Elementwolken – inklusive des Eisen-60.

Stellt euch vor, ihr werft im Abstand von je einer Sekunde eine Reihe Steine in einen ruhig daliegenden Teich. Auch ihre Wellen beeinflussen einander, zwischen Entstehen, Abklingen und Auslaufen. Hierdurch bleibt nach einem Augenblick ein wirres, unruhiges Muster in unserem Beispielteich.

Die Erde pflügt, gravitativ an die Sonne gebunden, durch dieses ungleichmäßige Fahrwasser der Milchstraße. Je nach Region innerhalb der lokalen interstellaren Wolke sammeln wir unterschiedlich viele Eisen-Isotope auf.

Als Nächstes steht laut den Forschern an, noch älteres Eis aus tieferen Schichten des antarktischen Eisschildes zu untersuchen. So erhoffen sie sich zu erfahren, wann wir auf unserer Reise in das diffuse Feld aus Supernovae-Staub eingedrungen sind.