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Dem interstellaren Staub auf der Spur

14. August 2014; mit freundlicher Genehmigung der Pressestelle der Universität Heidelberg (srama@irs.uni-stuttgart.de)

Die NASA Sonde Stardust sammelte kometaren und interstellaren Staub mit einem tennisschlägerartigen Kollektor.


Bildquelle: NASA

Licht im Dunkel des Universums: Mit der Untersuchung von interstellarem Staub ist ein internationales Wissenschaftlerkonsortium der so genannten Urmaterie auf der Spur, die als Grundlage für Leben gilt, wie wir es kennen. Das Konsortium aus 33 Forschungseinrichtungen, dem auch Wissenschaftler der Universität Heidelberg und Stuttgart angehören, analysiert seit acht Jahren Staub aus interstellarer Materie, der von der Raumsonde Stardust eingefangen wurde. In einer Studie in „Science“ und elf Begleitpublikationen wurden nun erste Ergebnisse veröffentlicht. Diese zeigen, dass die Teilchen in ihrer Elementzusammensetzung, Kristallstruktur und Größe heterogen sind und deutlich von bisher angenommenen Eigenschaften abweichen.

„Der Weltraum zwischen den Sternen unserer Milchstraße ist nicht völlig leer, er enthält immerhin einige Prozent der gesamten Masse. Diese so genannte interstellare Materie ist extrem wichtig, da aus ihr neue Sterne und Planetensysteme entstehen“, erläutert Prof. Dr. Mario Trieloff den Hintergrund der Untersuchungen. Der Geowissenschaftler der Universität Heidelberg koordiniert das DFG-Schwerpunktprogramm "Die ersten zehn Millionen Jahre des Sonnensystems", in dessen Rahmen Wissenschaftler verschiedener deutscher Forschungseinrichtungen an dem internationalen Konsortium beteiligt sind. Der größte Teil der interstellaren Materie ist Gas aus Wasserstoff und Helium, nur ein Hundertstel davon ist Staub, der auch alle schweren Elemente enthält. „Diese schweren Elemente im interstellaren Staub sind letztlich der Baustoff für die terrestrischen oder erdähnlichen Planeten“, erklärt Prof. Trieloff.

Die Raumsonde Stardust brachte 2006 zusammen mit den ersten Staubproben eines Kometen erstmals Proben dieser Urmaterie mit zur Erde. Dafür war mit speziellen Kollektoren interstellarer Staub aus unserem Sonnensystem eingefangen worden. Diese Staubteilchen waren sowohl kleiner als auch seltener als der Kometenstaub. Das internationale Wissenschaftlerkonsortium unter Leitung der Universität Berkeley untersuchte acht Jahre lang intensiv diese Kollektoren. Diese bestanden aus einem extrem leichten Aerogel, um die Teilchen möglichst schonend abzubremsen und intakt zu sammeln, denn die erwarteten Aufschlaggeschwindigkeiten betrugen bis zu 50 Kilometer pro Sekunde, was 180.000 Stundenkilometern entspricht.

Zunächst mussten die Kollektoren nach Einschlagspuren untersucht werden, wofür mikroskopische Scans erstellt und nachfolgend von weltweit 34.000 Amateuren, die dafür in einem speziellen Online-Trainingsprogramm eingelernt wurden, optisch inspiziert wurden. „Um vielversprechende Einschlagspuren überhaupt zu erkennen und von ihnen auf die Einschlaggeschwindigkeit und andere Eigenschaften der einschlagenden Teilchen wie Masse, Porosität oder chemische Zusammensetzung rückschließen zu können, wurde Kollektormaterial in Heidelberg in Kooperation mit der Universität Stuttgart unter Leitung von Priv.-Doz. Dr.-Ing. Ralf Srama mittels eines weltweit einzigartigen Staubbeschleunigers beschossen, um den Einschlagprozess zu simulieren und zu kalibrieren“, erklärt Mario Trieloff. Weitere Einschlagspuren wurden an der Universität Frankfurt von der Arbeitsgruppe von Prof. Frank Brenker mittels hochempfindlicher nano-Synchrotron-Röntgenfluoreszenz und am Max-Planck-Institut für Chemie mittels hochauflösender Rasterelektronenmikroskopie analysiert.

„Bislang konnten nur wenige große Teilchen untersucht werden: Zwei Teilchen mit den Namen Orion und Hylabrook wurden in Aerogel eingefangen, ein weiteres hinterließ nur eine Einschlagspur, vier Teilchen erzeugten Einschläge auf Folien zwischen den Aerogel-Waben“, erläutert Prof. Trieloff die ersten Untersuchungsergebnisse. Diese Teilchen sind entgegen den gängigen Vorstellungen und Modellen nicht vollständig amorph, sondern eine Mischung aus verschiedenen Mineralen, also auch kristallin.Zum ersten Mal wurden Silikate wie Olivin und Oxide wie Spinell definitiv nachgewiesen, die nicht dem aus Meteoriten bekannten kohlenstoffreichen Sternenstaub entsprechen. Zudem handelt es sich auch nicht um silikatische Hochtemperaturkondensate. Die Elementzusammensetzung entspricht in Teilen dem kosmischen Durchschnitt, es gibt aber wichtige Abweichungen, etwa Defizite des Elements Kalzium oder Überschüsse des Elements Aluminium. „Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Teilchen heterogen bezüglich ihrer Elementzusammensetzung, Kristallstruktur und Größe sind. Der Anteil kristalliner Komponenten ist höher als bislang vermutet, es gibt unterschiedliche eisenhaltige Phasen, darunter Sulfide. Somit weichen diese Teilchen deutlich von den bisher mittels astronomischer Beobachtungen und Modellierungen abgeleiteten Durchschnittseigenschaften ab.“

Wie der Geowissenschaftler betont, stehen zum ersten Mal im Labor Staubproben aus dem zeitgenössischen interstellaren Medium zur Verfügung, die so kostbar sind, dass mit Erlaubnis der NASA bislang nur zerstörungsfreie Messungen durchgeführt werden durften. „Diese haben allerdings nur eine begrenzte Genauigkeit, die Analytik für so kleine Teilchen muss in den nächsten Jahren erst noch entwickelt werden. Spätere Untersuchungen werden vermutlich noch überraschendere Ergebnisse zutage bringen. Darüber hinaus befinden sich in den Kollektoren wahrscheinlich noch viele weitere unentdeckte Teilchen. Es stehen also wohl noch weitere wissenschaftliche Entdeckungen bevor.“

Die Arbeiten wurden gefördert durch den FRONTIER Fond der Universität Heidelberg im Rahmen der Exzellenzinitiative, das DFG-Schwerpunktprogramm „The first 10 Million Years of the Solar System - a Planetary Materials Approach“ und die Klaus Tschira Stiftung.


Es hat die Masse von drei Trillionstel Gramm: Das interstellare Staubteilchen "Orion", eingefangen von der Raumsonde Stardust nach ihrem Vorbeiflug am Kometen Wild 2. In Abbildung a sind verschiedene Elemente durch unterschiedliche Färbung dargestellt, in Abbildung c unterschiedliche Minerale: rot: Spinell, grün: Olivin, blau: noch nicht identifizierte Phase.


Bildquelle: Orig. publ.: Westphal et al. 2014, Science / AAAS 


Ein anderes Staubteilchen mit dem Namen Hylabrook zeigt einen kristallinen Olivin, umrandet von einer amorphen Struktur.


Bildquelle: Orig. publ.: Westphal et al. 2014, Science / AAAS


Originalveröffentlichung:
Westphal et al.: Evidence for interstellar origin of 7 dust particles collected by the Stardust spacecraft. Science, 14. August 2014, doi: 10.1126/science.1252496


Kontakt:

Prof. Dr. Mario Trieloff
Institut für Geowissenschaften der Universität Heidelberg
Tel.: 06221 / 54-6022
E-Mail: mario.trieloff@geow.uni-heidelberg.de

Priv.-Doz. Dr.-Ing. Ralf Srama
Institut für Raumfahrtsysteme der Universität Stuttgart
Tel.: 0711 / 685-62511
E-Mail: srama@irs.uni-stuttgart.de

Prof. Dr. Frank E. Brenker
Institut für Geowissenschaften der Goethe Universität Frankfurt
Tel.: 069 / 798-40134
E-Mail: f.brenker@em.uni-frankfurt.de