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Der Entstehung der Sonne auf der Spur

Credit: NASA, ESA and A. Nota (ESA/STScI, STScI/AURA)

Die Sonne ist ein fester Bestandteil unseres Himmels. Aber war sie schon immer da? Und war sie schon immer alleine? Maria Lugaro, Astrophysikerin und Teamleiterin von Projekt Radiostar versucht diese Fragen zu beantworten. Sie und ihr Team erforschen die Geschichte unseres Sonnensystems mit Hilfe von radioaktiven Kernen. Im Interview erklärt sie, wie das funktioniert und was das für unseren Platz im Universum bedeutet.

42: Was untersuchen Sie bei Projekt Radiostar? 

Maria Lugaro: Wir analysieren radioaktive Kerne, um mehr über die Entstehung der Sonne und die Zeit davor zu erfahren.  Es handelt sich um eine besondere Art von Kernen, denn sie zerfallen. Das macht sie sehr interessant, weil sie sich in einen anderen Kern verwandeln und dabei Energie freisetzen. Sie bleiben nicht ewig so, wie sie sind, sondern verwandeln sich irgendwann in einen anderen Nukleus. Diese Hinweise wollen wir bei dem Projekt verwenden, denn sie werden innerhalb einer bestimmten Zeit zu einem anderen Kern.

Vielleicht sind die Leser mit der Kohlenstoff-Datierung vertraut, die dazu verwendet wird, das Alter von menschlichen Knochen zu berechnen. Wenn ich weiß, wie viel Kohlenstoff 14 dort gewesen sein müsste, aber nur die Hälfte davon messe, dann müssen 5.000 Jahre vergangen sein. Die Idee ist ganz einfach. 

Wir wollen radioaktive Kerne auf die gleiche Weise nutzen, um Zeitintervalle zu messen, die mit der Entstehung der Sonne zusammenhängen. Es ist genau die gleiche Methode, aber wir wenden sie auf etwas an, das viel weiter zurückliegt.

Die Kohlenstoff-Datierung ist ein wissenschaftliches Verfahren zur Bestimmung des Alters von organischem Material. Forscher verwenden ein radioaktives Isotop des Kohlenstoffs namens c14. Pflanzen und Tiere tauschen Kohlenstoff entweder mit der Atmosphäre oder über ihre Nahrung mit ihrer Umwelt  aus. Solange sie leben, haben sie die gleiche Menge an Kohlenstoff in sich, wie ihre Umgebung. Sobald sie tot sind, hört dieser Austausch auf. Da Kohlenstoff 14 radioaktiv und daher instabil ist, zerfällt es langsam und verwandelt sich in einen anderen Atomkern. Das bedeutet, dass die Zahl der Kohlenstoff 14-Kerne stetig abnimmt. Wir wissen, wie lange es dauert, bis Kohlenstoff 14 zerfällt. Daher können wir anhand des Verhältnisses zwischen Kohlenstoff 14 und stabilen Formen von Kohlenstoff feststellen, wie lange etwas tot ist.

42: Wo findet man diese radioaktiven Kerne? Menschliche Artefakte oder Knochen kann man ja im Boden finden, aber wir können nicht zur Sonne gehen und Nuklide einsammeln. 

M.L.: Zum Glück haben wir Meteoriten. Meteoriten enthalten Feststoffe, die sich sehr früh gebildet haben. Etwa zu der Zeit, als die Sonne geboren wurde. Anhand dieser Festkörper konnten wir feststellen, dass die Sonne 4,67 Milliarden Jahre alt ist. Die ursprünglichen Kerne sind gar nicht mehr vorhanden, denn das war vor 4,6 Milliarden Jahren, und wir betrachten Kerne, die in einer Million Jahren zerfallen. Wir können jedoch die Kerne sehen, zu denen sie wurden. 

Aluminium 26 zum Beispiel ist ein radioaktives Isotop. Es zerfällt in einer Million Jahren. Aber wir wissen, dass es bei der Entstehung der Sonne vorhanden war, denn es wird zu Magnesium 26. Und in einigen dieser Festkörper gibt es eine Menge Magnesium 26. Es macht keinen Sinn, dass es so viel Magnesium gibt, wenn es nicht vorher Aluminium war.

Es ist erstaunlich, wie hoch die Präzision ist. Man gibt ein Stück Gestein in ein Labor mit einem Massenspektrometer und zählt, wie viele Atome des Magnesiums 26 es gibt. 

42: Können Sie uns eine Vorstellung von den Zeiträumen geben, über die wir hier sprechen?

M.L.: Wir haben es mit Kernen zu tun, die in Millionen von Jahren zerfallen. Die Sternentstehung ist ein Prozess, der Millionen von Jahren dauert. Wenn wir also Uhren haben, die für Millionen von Jahren empfindlich sind, können wir die Zeitskalen für die Entstehung unseres Sterns messen. 

Das Interessante daran ist, dass wir Zeitskalen betrachten, die in ihrer Größenordnung sehr unterschiedlich sind. Die Leute berücksichtigen in ihren Modellen oft nicht einmal die 10, 20 Millionen Jahre der Sternentstehung, sondern gehen einfach davon aus, dass sie sofort stattfindet. Wir müssen 4,6 Milliarden Jahre in der Zeit zurückgehen und innerhalb dieser Zeitspanne müssen wir etwas untersuchen, das relativ kurz ist. Wir müssen diese kleinen Zeitspannen, relativ gesehen, im Detail untersuchen. Das Alter der gesamten Milchstraße beträgt 13 Milliarden Jahre, und wir interessieren uns für etwas, das innerhalb von 30 Millionen Jahren passiert ist. Man muss sehr, sehr detailliert sein.  Deshalb sind diese nuklearen Isotope so nützlich, denn sie haben genau diese Zeitskala.

42: Warum ist es so wichtig, mehr als einen Atomkern zu verwenden?

M.L.: Wir müssen etwa 6 Milliarden Jahre in der Zeit zurückgehen und versuchen die Produktion und das Zerfallen dieser Kerne zu verstehen. Die Analyse von Kernen, die etwa 6 Milliarden Jahre alt sind, ist anfällig für Fehler. Um sicherzugehen, dass unsere Theorien richtig sind, verwenden wir mehrere Kerne zur Gegenprüfung. Ich denke, das ist die Stärke des Projekts. Wir haben 19 dieser Kerne, die alle unterschiedliche Reichweiten haben. Jeder von ihnen ist wie eine kleine Uhr. Einige von ihnen haben ähnliche Zeitlinien. Einige von ihnen haben ähnliche Ursprünge. Ich bin nicht mit nur einer Zahl zufrieden. Ich möchte mindestens zwei oder drei Zahlen haben. Erst dann kann ich anfangen, mir eine Meinung zu bilden. 

42: Welche Art von Informationen erhoffen Sie sich von diesen Kernen? 

M.L.: Ich gebe Ihnen ein ganz praktisches Beispiel. Wir haben ermittelt, wie lange vor der Entstehung der Sonne ein seltenes stellares Ereignis stattgefunden hat, bei dem drei dieser radioaktiven Kerne entstanden sind. Wir konnten die Zeit ermitteln, die zwischen diesem Ereignis und der Entstehung der Sonne vergangen ist. Dann müssen wir etwa 200 Millionen Jahre warten, bis sich die Sonne bildet. Aber 200 Millionen Jahre sind ziemlich lang, also haben wir versucht, etwas zu finden, das näher an der Geburt der Sonne liegt. Wir haben noch zwei oder drei weitere Kerne gefunden, aber sie stammen von Sternen mit geringerer Masse, die recht häufig sind. Diesmal liegen 20 bis 30 Millionen Jahre zwischen ihrer Entstehung und der Geburt der Sonne. Jetzt kommen wir der Sache näher und ich kann sagen, dass die Geburt der Sonne nicht länger als 20 oder 30 Millionen Jahre gedauert haben kann. 

Interessant ist, dass wir immer mehr Kerne untersuchen, aber wir konnten keine Kerne finden, die stark darauf hindeuten, dass der Entstehungsprozess der Sonne 2 Millionen Jahre gedauert haben könnte. Das ist sehr wichtig, denn 2 Millionen Jahre sind sehr kurz. Das ist nur der Fall, wenn sich eine sehr kleine Gruppe von Sternen gemeinsam bildet. Das lässt uns vermuten, dass die Sonne in einer sehr großen Gruppe mit einer großen Familie entstanden sein muss. Mit Großeltern, Eltern, Geschwistern. Viele Generationen zusammen. Es waren nicht nur 50 Sterne. Es waren wahrscheinlich Tausende. Auf diese Weise versuchen wir, die Zeitskalen zu kartieren und mit der tatsächlichen physikalischen Umgebung zu verbinden. 

42: Mit welchen Herausforderungen sind Sie derzeit konfrontiert?

M.L.: Wir führen in unserer Gruppe nicht die Beobachtungen durch. Wir wollen die Produktion radioaktiver Kerne in Sternen modellieren und wie sie sich in der Galaxie verteilen, denn das ist unser Ausgangspunkt. Dann vergleichen wir das Modell mit den meteoretischen Daten. Wir haben das Problem, dass die Kerne in Sternen produziert werden, und wenn Sterne sterben, werfen sie die Kerne hinaus. Diese Kerne zerfallen aber. Während sie also irgendwo hin transportiert werden, verliert man sie gleichzeitig. Das macht es sehr kompliziert, ein Bild zu zeichnen. Wir haben viel mit statistischen Modellen gearbeitet, schließlich ist es ein statistisches Problem. Wir versuchen, es ein bisschen besser zu machen. Und hoffentlich nähern wir uns der Genauigkeit, die ich gerne erreichen würde. 

Ein andere Sache ist:  Die Sterne, über die ich bisher gesprochen habe, gehörten nicht zu einer Familie. Sie brauchten Milliarden von Jahren, um sich zu entwickeln, sie explodierten und trugen dann zur Bildung der Familie bei. Aber was geschah dann innerhalb der Familie? Denn wenn es Eltern, Großeltern und Geschwister gab, hätten sie sich gegenseitig beeinflussen können. Innerhalb dieser Familiensituation könnten Kerne entstanden sein. Wir schauen uns diese Kerne an, und zwar speziell bei massiven Sternen –  Supernovae, die explodiert sind.  Angenommen, einige Großeltern starben, bevor die Sonne geboren wurde. Sie könnten radioaktive Kerne herausgeschleudert haben. Wenn massereiche Sterne entstehen, sind die meisten von ihnen ein Paar. Wenn sie sich also weiterentwickeln, beeinflussen sie sich gegenseitig. Bislang hat sich noch niemand mit der Produktion radioaktiver Kerne befasst, wenn zwei Sterne zusammen sind. Das könnte das Bild grundlegend verändern. 

42: Projekt Radiostar läuft noch ein Jahr weiter. Was hoffen Sie, bis zum Ende des Projekts erreicht zu haben?

M.L.: Ich möchte wirklich sagen können: Das ist die Zeit, die vom Beginn des Entstehungsprozesses der Sonne bis zur Entstehung der Sonne vergangen ist. Mein Hauptproblem sind jetzt die statistischen Probleme. Deshalb habe ich an einigen Stellen noch Zweifel. Mein anderes Ziel ist, dass wir idealerweise den Ursprung von Aluminium 26 im Sonnensystem entdecken. Dann können wir feststellen, ob es normal ist, diese Isotope in den Kernen zu haben oder nicht. Im Moment haben wir keine Ahnung, ob die meisten Sterne, die sich bilden, diese Kerne haben oder nicht. Es gibt zu viele Ideen, aber welche ist die richtige? Jede dieser Ideen hat Auswirkungen auf andere Theorien über Sterne und Planeten. Ich hoffe, dass ich sie ein wenig eingrenzen kann. Das ist sehr ehrgeizig, aber wer weiß. Es wird unmöglich sein, ein endgültiges Szenario zu entwerfen, aber ich möchte ein Szenario entwerfen, das mit allen radioaktiven Kernen vereinbar ist. Viele Leute haben versucht, das Aluminium 26 zu erklären, aber sie haben die anderen 18 Kerne nicht berücksichtigt. 

42: Was wünschen Sie sich, würden alle über dieses Thema wissen?

M.L.: Es ist wichtig zu verstehen, dass wir unseren Platz in der Galaxie klären wollen. Sind wir allein? Das ist eine klassische Frage. Und um diese Fragen zu beantworten, brauchen wir viele verschiedene wissenschaftliche Disziplinen. Sie müssen aus vielen Blickwinkeln betrachtet werden. Ich denke, es ist sehr wichtig, dass jüngere Menschen wissen, dass sie immer noch einen Beitrag leisten können. Dass wir noch nicht alles gelöst haben. Manchmal hat man den Eindruck, dass alles geklärt sei. Aber das ist eigentlich gar nicht der Fall. Wenn Sie neugierig sind, sind Sie herzlich eingeladen, sich der wissenschaftlichen Gemeinschaft anzuschließen!

 

Von David Krebs

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