Ferromangankrusten sind mineralische Ablagerungen in Meerestiefen von hunderten bis tausenden Metern und einzigartige geologische Archive. Sie wachsen millimeterweise über Millionen von Jahren, nehmen dabei Stoffe aus ihrer Umgebung auf und speichern sie – darunter auch winzige Mengen radioaktiver Isotope, die vor langer Zeit aus dem All zu uns gelangt sind. Wissenschaftler:innen nutzen diese Elemente als Marker vergangener kosmischer Ereignisse.
Seltenes Isotop in den Tiefen des Pazifiks
Nach einem besonders seltenen dieser Isotope – Plutonium-244 – fahndeten die Forscher:innen nun in einer Kruste aus den Tiefen des Pazifiks. Plutonium-244 entsteht im sogenannten r-Prozess (engl. rapid neutron-capture process), einem hochexplosiven Vorgang, bei dem Atomkerne in sehr kurzer Zeit extrem viele Neutronen nacheinander einfangen. Solche Bedingungen herrschen vermutlich bei der Verschmelzung von zwei Neutronensternen oder in besonders energiereichen Supernovae, die 1.000- bis 10.000-mal seltener sind als reguläre Sternexplosionen.
Das Forschungsteam analysierte Spuren der radioaktiven Isotope Eisen-60, Plutonium-244 und Curium-247 in der Kruste.
„Eisen-60 ist ein klarer Fingerabdruck von regulären Supernovae. Daher haben wir sowohl nach Eisen-60 als auch nach Plutonium-244 gesucht und deren Spuren verglichen“, erklärt Dr. Dominik Koll vom Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung am HZDR.
Der Vergleich zeigt: Im Gegensatz zum Eisen kann das Plutonium nicht aus Sternexplosionen der letzten Millionen Jahre stammen. Es muss auf ein selteneres kosmisches Ereignis zurückgehen, das mehr als 100 Millionen Jahre zurückliegt.
Nahe Supernovae scheiden als Ursprung aus
Während der Eisen 60-Verlauf zwei eindeutige Signaturen erdnaher Supernova-Explosionen vor einigen Millionen Jahren zeigt, folgt Plutonium-244 einem anderen Verlauf. Es erreichte die Erde über Millionen Jahre hinweg kontinuierlich. Das spricht für einen älteren Prozess, denn nur so hätte das Isotop genügend Zeit gehabt, sich wie ein gleichmäßiger Schleier im Interstellaren Medium zu verteilen.
Den Beweis für diese Interpretation brachte der Vergleich der Plutonium-Signatur mit Curium-247. Wie Plutonium-244 entsteht Curium-247 im r-Prozess. Mit einer Halbwertszeit von etwa 15,6 Millionen anstelle von 80 Millionen Jahren zerfällt es aber deutlich schneller: Das Verhältnis der Isotope ist daher ein mächtiges Datierungswerkzeug.
Trotz höchster Messempfindlichkeit konnten die Astrophysiker:innen keinerlei Spuren kosmischen Curiums in der Tiefseekruste nachweisen. Daraus ergibt sich ein natürliches „Verfallsdatum“ für das letzte r-Prozess-Ereignis in unserer kosmischen Nachbarschaft: Es muss vor mehr als 100 Millionen Jahren stattgefunden haben.
Einzelne Atome aufspüren
Entscheidend dabei war: Die Forscher:innen konnten die Plutonium-Spuren erstmals in vielen kleinen Zeitabschnitten nachweisen. Dafür mussten sie die Probe in einzelne Schichten unterteilen, die jeweils nur wenige Plutonium-Atome enthielten. Ein Plutonium-Atom versteckt sich dann in rund zehn Trilliarden anderer Atome. Erst seit kurzem können diese winzigen Mengen detektiert werden. Für Curium-247 war es sogar die erste signifikante Messung überhaupt.
„Wir brauchen nur 100 Plutonium-Atome in der Endprobe, um eines davon im Detektor einzufangen. Diese Sensitivität ist weltweit einzigartig“, sagt Michael Hotchkis, leitender Wissenschaftler der VEGA-Anlage in Sydney.
VEGA ist die derzeit einzige Maschine, die empfindlich genug ist, derartige kosmische Spuren nachzuweisen. Zukünftig soll am HZDR in Dresden die HAMSTER-Anlage Ähnliches leisten. Die Eisen-60-Messungen führte das Team an der Heavy Ion Accelerator Facility (HIAF) der Australian National University in Canberra durch.
Die Probe verstehen und exakt datieren
Parallel hatte das Team die Probe an der DREAMS-Anlage am HZDR in Dresden auf Beryllium-10 vermessen und ein detailliertes Altersmodell abgeleitet. Nur so konnten sie die aufgespürten Atome auf kosmischer Zeitskala verorten. Zwar stammt die gewählte Probe aus einer der am besten untersuchten Tiefsee-Ferromangankrusten für Radionuklid-Studien. Dennoch musste das Team ihr Wachstum für die genaue Datierung noch besser charakterisieren. Röntgenscans, 3D-Bilder und Testdatierungen kleinerer Probebohrkerne halfen den Wissenschaftler:innen, das Wachstum dieser Kruste über mehr als 10 Millionen Jahren noch genauer zu verstehen.
„Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Plutonium aus sehr seltenen kosmischen Explosionen stammt, wie sie etwa beim Verschmelzen zweier Neutronensterne oder sehr energiereichen Supernovae auftreten würden. Seitdem hat es sich im interstellaren Medium verteilt“, sagt Prof. Anton Wallner, Leiter der Abteilung Beschleuniger-Massenspektrometrie und Isotopenforschung am HZDR.
Zwei Ereignisse dieser Art Verschmelzungen von Neutronensternen wurden in den letzten Jahren unabhängig durch Gravitationswellen beobachtet, beide befanden sich jedoch weit außerhalb unserer Galaxie. Alternative Erklärungen, darunter die kürzlich vorgeschlagene Kollision des Sonnensystems mit einer dichten interstellaren Wolke, konnte das Team ausschließen.
Die nächsten Messungen sind schon im Gange: Mondproben der NASA sollen helfen, den letzten r-Prozess genauer zu studieren: An der neuen HAMSTER-Anlage in Dresden wollen die Physiker:innen neben Plutonium und Curium zukünftig weitere seltene Radionuklide nachweisen, die neue Aufschlüsse über die Elemententstehung im Universum bringen könnten.
Wissenschaftliche Ansprechpartner:
Dr. Dominik Koll | Prof. Anton Wallner
Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung am HZDR
Tel.: +49 351 260 3804 | +49 351 260 3274
E-Mail: d.koll@hzdr.de | anton.wallner@hzdr.de
Originalpublikation:
D. Koll, S. Fichter, M. A. C. Hotchkis, S. T. Battisson, S. Beutner, L. K. Fifield, M. B. Froehlich, J. Lachner, S. Pavetich, G. Rugel, Z. Slavkovska, S. G. Tims, A. Wallner: The timing of the last r-process event near Earth from interstellar 60Fe, 244Pu and 247Cm deposition on Earth, Nature Astronomy, 2026. (DOI:10.1038/s41550-026-02841-6).
Quelle: HZDR
