Aufbau des Sonnensystems: Crash-Sonde "Genesis" gibt ihre Geheimnisse preis

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Astronomie: Später Erfolg für "Genesis" Fotos
NASA/ JPL

2004 stürzte die Nasa-Sonde "Genesis" ab - doch Forscher gaben das Wrack nicht auf. In jahrelanger Arbeit ist es ihnen gelungen, den Trümmern doch noch einige Geheimnisse zu entlocken: Das Ergebnis der Analysen führt die Wissenschaftler zu einem Rätsel aus der Frühzeit des Sonnensystems.

Das Manöver war gewagt - und endete mit einer peinlichen Panne. Als die Nasa-Sonde "Genesis" im September 2004 zur Erde zurückkehrte, sollte sie während der letzten Phase der Landung von einem Hubschrauber an den Haken genommen werden. Doch weil sich ein Fallschirm wegen eines falsch eingebauten Sensors nicht öffnete, schlug das Manöver fehl. "Genesis" rammte ungebremst in den Sandboden der Wüste von Utah.

Eigentlich hätte die Sonde Partikel des Sonnenwindes auf die Erde bringen sollen. Doch der Crash schien die gewünschte Analyse unmöglich zu machen. Offenbar war die Sonde bei ihrem Sturz zu übel in Mitleidenschaft gezogen worden. "Jeder, der den Crash gesehen hat, glaubte, dass es ein schreckliches Unglück war", sagt Roger Wiens vom Los Alamos National Laboratory (US-Bundesstaat New Mexico). "Aber stattdessen war das Projekt ein voller Erfolg, die Ergebnisse sind absolut faszinierend."

Ein voller Erfolg - wovon redet der Mann? Tatsächlich aber haben Forscher dem "Genesis"-Schrotthaufen nach knapp sieben Jahren Arbeit nun doch noch einige seiner Geheimnisse entlocken können.

Und diese haben es wissenschaftlich in sich: Die Resultate zeigen nämlich, dass unsere Erde und die anderen Felsplaneten nicht aus denselben chemischen Materialien bestehen wie unsere Sonne. Dabei gilt in Fachkreisen als ausgemacht, dass unser Zentralgestirn und die Planeten vor rund 4,5 Milliarden Jahren gemeinsam aus einer großen Gaswolke entstanden sind.

Gleich zwei Forscherteams berichten im Fachmagazin "Science" über ihre verblüffenden Funde bei Isotopen-Analysen. Die Wissenschaftler hatten das Material untersucht, das die Sonde mit Hilfe eines sogenannten Konzentrators gesammelt hatte. Das in Los Alamos gebaute Gerät hatte den Crash von Utah vergleichsweise unbeschadet überstanden: "Zum Glück war der Konzentrator im Inneren der Sonde", erzählt Kevin McKeegan von der University of California in Los Angeles im Gespräch mit SPIEGEL ONLINE. Das ihn umgebende Drahtgeflecht habe außerdem "wie eine Art Airbag bei einem Autounfall" gewirkt.

Drei der vier Segmente des Konzentrators seien auch nach dem Absturz noch nutzbar gewesen. Die Forscher hätten sie "ein bisschen saubermachen" und terrestrisches Material entfernen müssen. Hilfreich dabei war, dass die Sonde nur einzelne Atome eingesammelt hatte - und dass diese zumindest rund hundert Nanometer weit in das Kollektormaterial eingedungen waren. Größere Partikel direkt an der Oberfläche mussten also von der Erde stammen. Die Forscher schlossen diese bei den Analysen aus.

Unterschiede bei Sauerstoff und Stickstoff

Wie McKeegan und seine Kollegen in "Science" berichten, gab es deutliche Unterschiede in der Isotopen-Zusammensetzung des Elements Sauerstoff. Als Isotope bezeichnet man die verschiedenen Atome einer chemischen Substanz, die sich in ihrem Gewicht unterscheiden, weil sie im Kern zwar gleich viele Protonen, aber eine unterschiedliche Anzahl von Neutronen enthalten. Den Erkenntnissen des McKeegan-Teams zufolge enthalten die Erde und die anderen felsigen Himmelskörper im inneren Sonnensystem einen um sieben Prozent höheren Anteil an schwereren Sauerstoff-Isotopen als die Sonne.

Ein Team um Bernard Marty von der Ecole Nationale Supérieure de Géologie im französischen Vandoeuvre-lès-Nancy fand ähnliche Differenzen auch beim Stickstoff. Hier fielen die Unterschiede sogar noch drastischer aus: Terrestrische Planeten weisen demnach einen um 40 Prozent erhöhten Anteil an Stickstoff 15 gegenüber der Sonne auf.

Natürlich unterscheiden sich auch die Zusammensetzungen der erdähnlichen, felsigen Planeten im inneren Sonnensystem untereinander. Doch die Differenzen fallen deutlich geringer aus als die nun beobachteten Unterschiede zur Sonne - und zu den Gasplaneten. Denn diese haben - wie Messungen mit der Sonde "Galileo" nahegelegt haben - eine ähnliche Zusammensetzung wie die Sonne.

Doch was ist nun der Grund für diese Unterschiede? Darüber können die Forscher derzeit nur spekulieren. Sie behelfen sich einstweilen mit der Annahme, dass bisher unterschätzte physikalische Prozesse eine wichtige Rolle bei der Entstehung des Planetensystems gespielt haben müssen.

Klar ist: "Die Sonne ist repräsentativ für die durchschnittliche Zusammensetzung des Sonnensystems", sagt Kevin McKeegan. Das ergibt sich daraus, dass sie den allergrößten Teil der Gesamtmasse ausmacht. Veränderungen, wie sie am Material der felsigen Planeten vor deren Bildung passiert sein müssen, sind also die Ausnahme.

Schuld daran könnten zum Beispiel sogenannte photolytische Prozesse sein. Dabei spaltet das Sonnenlicht Moleküle, die Sauerstoff und Stickstoff enthalten. Diese Prozesse hängen vom Gewicht der Atome in den Molekülen ab und können dadurch die Isotopen-Zusammensetzung in der um die junge Sonne rotierenden Gas- und Staubwolke verändern, aus der das Planetensystem entstanden ist. Das Fazit der Forscher lautet deswegen: Bei der Rekonstruktion der Entstehungsgeschichte unseres Sonnensystems müssen solche bisher unterschätzten Vorgänge künftig stärker berücksichtigt werden.

Mit Material von dapd

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1. ...
Schalke 24.06.2011
Und wie erklärt man dem interessierten Laien das Vorhandensein von Elementen schwerer als Eisen auf z. B. unserem Planeten? Gold, Uran, all die schweren Elemente stammen nicht aus unserer jetzt aktiven Sonne sondern sind Überbleibsel von längst vergangenen Sternen, die die schweren Elemente nach dem Eisenbrennen in einer Supernova "gebacken" haben. Bißchen dürftig der Artikel, wie ich finde, denn über die Entstehung unseres Sonnensystems sagt es eher weniger als über die Verteilung der Elemente.
2. Theorie...
horstma 24.06.2011
Ich kann die dem Artikel zugrunde liegende (alte) Theorie nicht nachvollziehen, daß die Sonne und die Gesteinsplaneten aus den selben Isotopenverhältnissen bestehen sollten, weil sie zusammen aus der selben Gaswolke entstanden. Warum sollte das so sein? Hintergrund: Die Größe der Sonne ist weit unterhalb der maximalen Größe einer Sonne, wo diese keine weitere Materie mehr aufnimmt, weil der Strahlungsdruck diese Materie abstösst. Diese Größe wird, wenn ich richtig informiert bin, im Moment auf ca. 250 Sonnenmassen geschätzt. Da unsere Sonne weit unterhalb dieser Grenze liegt, hätte sie eigentlich nach und nach alles in der Nähe zur Verfügung stehende Material absorbieren müssen - mit der Folge, daß für die inneren Planeten gar kein Material mehr dagewesen wäre. Wieso ging man dann bisher davon aus, daß die Sonne von diesem ursprünglichen Material einfach etwas übrig ließ, aus dem sich die inneren Planeten bildeten? Ist es nicht wahrscheinlicher, daß das Material der inneren Planeten später, aus einer anderen Gaswolke, von der Sonne in eine Umlaufbahn gezogen wurde, und sich später daraus die inneren Planeten bildeten? Das würde auch die jetzt gefundenen Unterschiede erklären.
3. Die Sonne ist kein Staubsauger
rhominus 24.06.2011
Zitat von horstma... Da unsere Sonne weit unterhalb dieser Grenze liegt, hätte sie eigentlich nach und nach alles in der Nähe zur Verfügung stehende Material absorbieren müssen - mit der Folge, daß für die inneren Planeten gar kein Material mehr dagewesen wäre. Wieso ging man dann bisher davon aus, daß die Sonne von diesem ursprünglichen Material einfach etwas übrig ließ, aus dem sich die inneren Planeten bildeten? Ist es nicht wahrscheinlicher, daß das Material der inneren Planeten später, aus einer anderen Gaswolke, von der Sonne in eine Umlaufbahn gezogen wurde, und sich später daraus die inneren Planeten bildeten? Das würde auch die jetzt gefundenen Unterschiede erklären.
Zwar erwähnen Sie richtigerweise, dass die Masse der Sonne weit unterhalb des sog. Eddington Limits liegt, aber das bedeutet nicht, dass sie, wie ein Staubsauger, einfach alle Materie in ihrer Umgebung aufsaugt. Nicht jedes Objekt in der Nähe eines schweren Körpers _kann_ überhaupt mit diesem Kollidieren. Vielmehr muss sein Drehimpuls unterhalb einer bestimmten Grenze liegen. Grob ausgedrückt hängt die Masse eines Sterns, der sich aus einer primordialen Gaswolke bildet davon ab, wie groß der Masseanteil der Wolke ist, dessen Drehimpuls klein genug ist. Der Rest des Materials bildet dann entweder ein Planetensystem oder wird nach Zündung der Kernfusion durch den Sonnenwind abgestoßen. Der genaue Charakter eines Sterns hängt stark von den verschiedensten Faktoren während seiner Entstehung ab. Insofern ist das Ergebnis der Untersuchung durchaus überraschend. Ich schätze, man wird sich neue Gedanken zur Entstehung von Sternen machen oder das Standardsonnenmodell geringfügig korrigieren müssen. Gruß rhominus
4. Drehimpulserhaltung
Alderamin 24.06.2011
Zitat von horstmaDa unsere Sonne weit unterhalb dieser Grenze liegt, hätte sie eigentlich nach und nach alles in der Nähe zur Verfügung stehende Material absorbieren müssen - mit der Folge, daß für die inneren Planeten gar kein Material mehr dagewesen wäre. Wieso ging man dann bisher davon aus, daß die Sonne von diesem ursprünglichen Material einfach etwas übrig ließ, aus dem sich die inneren Planeten bildeten?
Wegen der Erhaltung des Drehimpulses. Eine Gaswolke kann nur dann restlos zu einem Stern kollabieren, wenn sie sich absolut nicht dreht, was aber schon wegen der Scherkräfte in der Milchstraße sehr unwahrscheinlich ist. Je mehr aber eine Wolke mit minimaler Rotation kollabiert, desto schneller wird die Rotation (Pirouetteneffekt), so dass am Ende eine Staubscheibe entsteht. In deren Zentrum ist die Teilchendichte hoch und die Teilchen können über Reibung Bewegungsenergie loswerden und nach innen fallen, wo die Sonne entsteht. Der Drehimpuls muss aber dennoch erhalten bleiben und überträgt sich auf die restliche Scheibe (so wie die Erde über die Gezeiten Drehimpuls an den Mond abgibt). Wenn die Scheibe innen "aufgebraucht" ist, dann kann der Rest sich nur noch zu Planeten vereinigen, die einen großen Teil des Drehimpulses übernehmen. Die Sonne bläst, sobald sie gezündet hat, mit ihrem Sonnenwind dann relativ schnell die verbliebenen kleineren Teilchen weg, und die Planeten räumen die größeren Brocken ab, während sie weiter nach innen wandern. So die geltende Theorie. Vielleicht war die protostellare Scheibe einfach schlecht durchmischt und bestand innen aus den Resten anderer Supernovae als außen? Vielleicht wegen des verschiedenen Drehimpulses der verschiedenen Komponenten?
5. ...
taggert 24.06.2011
Keine Ahnung von Astrophysik, aber interessiert... Daher eine Frage an die Experten hier: Ich hab mal irgendwo gelesen das man vermutet das die Felsplaneten sehr viel Material durch kosmische Geschosse "dazugesammelt" haben. (Auch der Mond, wenn ich nicht irre, soll doch laut Theorie durch einen Einschlag und dadurch Raus gesprengtes Material entstanden sein...) Kann es dann nicht "ganz einfach" sein, das die "unerklärlichen Erd-Elemente" einfach von Asteroiden und der gleichen "dazugesammelt" wurden? ... Und die wiederum müssen ja nicht zwangsläufig von unserer Sonne stammen - oder? :) Wie gesagt, ich bin nur ein Laie... aber so würde ich mir das jetzt mit meinem "einfachen denken" vorstellen. :)
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