Sternexplosionen geschehen nicht nur fern der Erde in der Tiefe des Universums. Sie können sich offenkundig auch in der Nähe unseres Sonnensystems ereignen. Das zeigen radioaktive Ablagerungen von Asche, die seit Millionen Jahren auf unserem Planeten rieseln. Zwei solche Explosionen haben Wissenschaftler von der Universität Wien vor zehn Jahren datieren können. Eine deutsch-australische Forschergruppe hat nun Hinweise auf eine dritte, weit seltenere und energiereichere kosmische Detonation gefunden. Wie Dominik Koll vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) und seine Kollegen in „Nature“ berichten, entdeckten sie Spuren des Ereignisses in einer Mangankruste, die im Jahr 1976 auf dem Grund des Pazifischen Ozeans in fast 5000 Meter Tiefe gefunden worden war.
Mangankrusten sind mineralische Ablagerungen, die kontinuierlich Stoffe aus ihrer Umgebung aufnehmen und dabei in Millionen Jahren Millimeter um Millimeter wachsen. Für Wissenschaftler dienen sie daher als geologisches Archiv. Koll und seine Kollegen konzentrierten sich bei der Spurensuche auf Atomkerne des Isotops Plutonium-244 (Pu-244), das sie mit einem Beschleuniger-Massenspektrometer im Krustenmaterial nachweisen konnten. Das schwere Isotop kommt auf der Erde nicht natürlich vor. Astronomische Beobachtungen belegen, dass Plutonium und ähnliche schwere Elemente in sogenannten Kilonovae erzeugt werden. Während bei einer normalen Supernova ein massereicher Stern explodiert und dabei ein Schwarzes Loch oder einen ultrakompakten Neutronenstern hinterlässt, kollidieren bei einer Kilonova zwei Neutronensterne. Kilonovae sind deutlich seltener, aber dafür viel energiereicher als gewöhnliche Sternexplosionen.
Kilonova-Ereignis in der Nachbarschaft
Physiker sind davon überzeugt, dass Kilonovae den sogenannten r-Prozess in Gang bringen, einen Vorgang, bei dem Atomkerne in Sekundenbruchteilen sehr viele Neutronen nacheinander einfangen und dadurch allmählich an Masse gewinnen. Während Sterne nur chemische Elemente bis zum Eisen erbrüten können, vermag der r-Prozess die schwersten bekannten Nuklide zu bilden, darunter Uran, Thorium oder eben Plutonium.
Alle bisher astronomisch beobachteten Kilonovae haben sich in fremden Galaxien ereignet. Die Analyse der Manganknolle vom Pazifikgrund zeigt aber, dass es zumindest eine solche Megaexplosion in vergleichsweiser Nähe zur Erde gegeben haben muss. Die Forscher um Knoll registrierten mit ihrem Spektrometer insgesamt 286 Pu-244-Kerne in ihren Proben, von denen 77 Teilchen offenkundig aus dem All stammten. Die übrigen Kerne stammten von Atombombentests. Unklar ist indes, wo und wann die Kilonova detoniert war. Sie darf höchstens einige Tausend Lichtjahre entfernt gewesen sein, andernfalls hätte die Plutoniumasche die Erde nicht erreichen können. Zudem zerfällt Pu-244 mit einer Halbwertszeit von 81 Millionen Jahren in leichtere Radionuklide Elemente, was den Zeitpunkt der Explosion eingrenzt.
Koll und seine Kollegen können ausschließen, dass die Megaexplosion früher als vor 95 Millionen Jahren stattfand. Der Grund: Ein anderes radioaktives Isotop, Curium-247, das gemeinsam mit Pu-244 im r-Prozess entstehen sollte, konnten sie trotz intensiver Suche jedoch nicht nachweisen. Curium-247 zerfällt mit einer Halbwertszeit von 15,6 Millionen deutlich schneller als Pu-244: Wäre die Kilonova in den vergangenen 95 Millionen Jahren explodiert, enthielte ihre Asche auch Spuren von Curium. Doch das war nicht der Fall.
Die dritte Explosion hatte daher nichts mit den beiden Supernovae zu tun, deren Asche Wissenschaftler seit gut 25 Jahren in Bodenproben weltweit nachgewiesen haben. Eine Gruppe um Anton Wallner (damals an der Universität Wien, sowie Ko-Autor der neuen Studie) hat die beiden Ereignisse 2016 genauer datieren können: Ihre Analyse belegte, dass zweimal in den vergangenen zehn Millionen Jahren auffällig große Mengen an radioaktivem Eisen-60 (Fe-60) auf die Erde gekommen sind, genauer vor 2,5 und sieben Millionen Jahren. Das ist deutlich früher als die vermutete Kilonova. Die Isotope Fe-60 und das Pu-244 stammen also aus unterschiedlichen Quellen – im Einklang mit der Theorie, wonach die schwersten Elemente nur in exotischen Ereignissen wie Kilonovae entstehen.
Noch weiter in die Vergangenheit blicken
Die Plutonium-Messungen der Forscher um Koll haben eine Zeitauflösung von etwa einer Million Jahre und zeigen, dass das Material keine auffälligen Häufungen wie Eisen-60 zeigt. Während Fe-60 die Erde in zwei recht kurzen Schauern traf, ist Pu-244 praktisch konstant herabgerieselt. „Das ist ein spannendes neues Ergebnis eines Teams, das bereits viele spannende Ergebnisse vorgelegt hat“, bestätigt Brian Fields von der Universität Illinois, ein Experte auf dem Gebiet, der an der Studie aber nicht mitgewirkt hat.
Keine Hinweise fanden Koll und seine Kollegen, ob die Sterndetonationen die Entwicklung des Lebens auf der Erde beeinflusst haben. Die Menge der radioaktiven Asche sei, so die Forscher, zu gering dafür. Die Explosionen könnten aber energiereiche Strahlung zur Erde geschickt haben, welche etwa die Ozonschicht unseres Planeten beschädigte. Weitere Untersuchungen seien nötig, um diese Frage zu klären, meinen die Wissenschaftler. Paläontologen diskutieren seit langer Zeit, ob Supernovae, Kilonovae oder Gammastrahlenausbrüche Massenaussterbeereignisse auf unserem Planeten ausgelöst haben könnten. So entdeckten sie vor wenigen Jahren Deformationen an 360 Millionen Jahren alten Pflanzensporen, die auf starke ultraviolette Strahlungsbelastung hindeuten.
Genau zu dieser Zeit verschwanden während der sogenannten Hangenberg-Krise bis zu zwei Drittel aller Land- und Meereslebewesen. Leider erlaubt das Isotop Fe-60 wegen seiner kurzen Halbwertszeit von 2,6 Millionen Jahren keine Einblicke, die weit über zehn Millionen Jahre in die Vergangenheit reichen. Plutonium und andere langlebige Elemente sind andererseits derzeit nur am Rande der technischen Möglichkeiten nachweisbar. Doch die technische Entwicklung schreitet voran: „Mit der Mangankruste wollen wir in Zukunft bis 25 Millionen Jahre zurückschauen, mit Mondproben sogar mehrere Hundert Millionen Jahre“, meint Koll. „Und wir haben auch vor, Proben aus der Zeit der großen Aussterbeereignisse zu untersuchen.“
