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Astronomie

Die Spuren des letzten großen Angriffs aus dem All

Meldung vom 15.12.2007 - Aufgrund "kosmischer Umbauarbeiten" in unserem Sonnensystem wurde die Erde vor 3850 Millionen Jahren aus dem All bombardiert - die Überreste der Geschosse atmen wir heute ein.

Zwar wird die Erde auch heute noch in unregelmäßigen Abständen von Kometen und Asteroiden getroffen. Doch das Ausmaß dieser "Angriffe" aus dem All ist nicht annähernd vergleichbar mit dem während des von Forschern so getauften "Letzten Schweren Bombardements", das vor 3850 Millionen Jahren begann und vor 3800 Millionen Jahren endete. Als Auslöser dieses heftigen Beschusses der Erde mit kleinen Himmelskörpern gelten Wanderbewegungen der großen Planeten Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun. Doch der konkrete Hergang ist umstritten. Aus einer Analyse des Edelgasanteils in der Erdatmosphäre schließen Bernard Marty vom Forschungszentrum für Petrographie und Geochemie in Nancy und sein Kollege Anders Meibom, dass weniger als ein Prozent dieser Himmelskörper Kometen waren. Eine Gruppe um Rodney Gomes von der Universität Rio de Janeiro war dagegen aufgrund von Modellrechnungen zu dem Schluss gelangt, dass die Geschosse je zur Hälfte Kometen und Asteroiden waren. Asteroiden sind aus Gestein bestehende Kleinplaneten, während Kometen prozentual weniger Gestein, dafür aber große Anteile an Eis enthalten.

Die Theorie vom Letzten Schweren Bombardement des inneren Sonnensystems entstand in den siebziger Jahren des vergangenen Jahrhunderts nach Untersuchungen von Mondgestein. Dabei fiel auf, dass viele der Gesteinsbrocken, die Apollo-Astronauten in Mondkratern gesammelt hatten, in etwa das gleiche Alter haben. Der Mond muss in einem vergleichsweise kurzen Zeitraum von etwa 50 Millionen Jahren von ungewöhnlich vielen kleinen Himmelskörpern getroffen worden sein. Da wohl kaum davon auszugehen ist, dass der Mond zielgerichtet beschossen wurde, gehen Wissenschaftler davon aus, dass das gesamte innere Sonnensystem diesem Bombardement ausgesetzt war. Auf der Erde gibt es allerdings keine offensichtlichen Spuren dieses Beschusses. Allerdings ist das auch nicht zu erwarten, da das Erdgestein im Gegensatz zum Mondgestein der Verwitterung ausgesetzt ist und da ein großer Teil der Erdkruste aufgrund der Plattentektonik permanent recycelt wird.

Marty und Meibom haben deshalb nach einer Möglichkeit gesucht, den Beschuss der Erde auf andere Weise zu belegen. Ihr Argument ist die Konzentration der Edelgase Neon, Argon, Krypton und Xenon – zum einen in der Atmosphäre und zum anderen im Erdmantel. Ein Vergleich der Anteile dieser vier Gase im Erdmantel mit den Erdmantelanteilen von Wasser und Stickstoff zeigt, dass das Verhältnis dieser sechs Stoffe zueinander dem in einer bestimmten Meteoritensorte, nämlich dem in einem Chondriten entspricht. Man nimmt an, dass die chemische Zusammensetzung der Chondriten wiederum repräsentativ für die Urmaterie unseres Sonnensystems ist, aus der die Chondriten selbst, aber auch die Erde entstanden ist.

In der Atmosphäre sind dagegen die Edelgasanteile gegenüber den Stickstoff- und Wasseranteilen erhöht. Diese Überschüsse müssen laut Marty und Meibom aus einer anderen Quelle stammen als die restliche Materie der Erde, die das Produkt der Kollision vieler Asteroiden ist, die selbst wiederum aus chondritischer Urmaterie entstanden sind. Als Edelgaslieferanten kommen gemäß den beiden Forschern nur Kometen in Frage, die weiter als 15 Astronomische Einheiten (AE) von der Sonne entfernt entstanden sind. (Eine AE entspricht etwa 150 Millionen Kilometern, der Entfernung Erde-Sonne.) Denn Laborexperimente haben gezeigt, dass die flüchtigen Edelgase bei Temperaturen zwischen minus 220 und minus 245 Grad Celsius in Eis gebunden werden können. Diese Bedingungen herrschen erst in relativ großer Entfernung von der Sonne. Als weiteres Argument für ihre Theorie führen Marty und Meibom Helium- und Neonanteile an, die man vor kurzem in Kometenstaub gefunden hat, der von der Raumsonde Stardust eingesammelt wurde.

Nach Berechnungen der beiden Wissenschaftler reicht ein Kometenanteil von weniger als einem Prozent während des Letzten Schweren Bombardements aus, um den Edelgasüberschuss in der Erdatmosphäre zu erklären. Die restlichen 99 Prozent müssen demnach Asteroiden gewesen sein. Zum Vergleich der Größenordnungen: Während der 50 Millionen Jahre des Letzten Schweren Bombardements wurde die Erde insgesamt um etwa 200 Billiarden Tonnen schwerer. Während der ganzen 3800 Millionen Jahre, die seitdem vergangen sind, legte die Erde dagegen nur um etwa 200 Billionen Tonnen zu. Der Himmelskörper, der am 30. Juni 1908 über der Tunguska-Region in Sibirien explodierte, steuerte dazu schätzungsweise eine bis zehn Millionen Tonnen bei.

Das Ergebnis von Marty und Meibom widerspricht einer Modellrechnung von Gomes und Kollegen, die in Computersimulationen die Bewegungen der Planeten während der Frühphase des Sonnensystems nachvollzogen haben. Ihrer Simulation zufolge waren jeweils die Hälfte der Geschosse Kometen beziehungsweise Asteroiden. Doch in einer wichtigen Aussage stimmen die beiden Forschergruppen überein: Die Kometen stammten gemäß der Modellrechnung ebenfalls aus einer Region, die mehr als 15 AE von der Sonne entfernt war.

Die damaligen "kosmischen Umbauarbeiten", die schließlich zu dem Letzten Schweren Bombardement führten, begannen, nachdem Jupiter und Saturn in eine so genannte 1:2-Resonanz geraten waren. Das bedeutet, dass Jupiter die Sonne während der gleichen Zeit, in der Saturn sie einmal umrundete, exakt zweimal umkreiste. Zustande gekommen war diese Situation, weil beide Planeten damit "beschäftigt" waren, ihre Umgebung von den vielen Kleinplaneten zu säubern, die aus dem Urnebel des Sonnensystems entstanden waren. Der schwerere Jupiter katapultierte dabei mit seiner Schwerkraft eine größere Anzahl der Kleinplaneten nach außen, während Saturn sie vorwiegend nach innen warf. Als Konsequenz verlangte der physikalische Drehimpulserhaltungssatz, dass Jupiter seine Bahn nach innen verlagerte, während Saturn nach außen wanderte. Dabei änderten sich aufgrund der Keplerschen Gesetze gleichzeitig die Umlaufzeiten der beiden Planeten.

Die 1:2-Resonanz sorgte nun dafür, dass Jupiter und Saturn mit vereinten Gravitationskräften immer wieder an den nächsten beiden Planeten Uranus und Neptun zerrten. Dies hatte ein "Aufpumpen" der Bahnen dieser beiden Planeten zur Folge: Zum einen verlagerten beide ihre Bahnen nach außen, zum anderen wurden beide Bahnen elliptischer. Ein überraschendes Ergebnis aus Gomes Berechnungen: Derjenige dieser beiden Planeten, dessen Bahn damals näher an Jupiter und Saturn lag, wurde von dieser Resonanz sehr viel stärker beeinflusst. Sein Bahnradius wurde mehr als verdoppelt. Demnach war also Neptun, der heute 30 AE von der Sonne entfernt ist, der Sonne damals näher als Uranus, der die Sonne heute auf einer Bahn mit einem Radius von 19 AE umkreist.

Folglich war Neptun es, der in die mit Kometen gefüllten äußeren Bereiche des Sonnensystems eindrang und diese mit seiner Schwerkraft in alle Richtungen streute – also auch nach innen zu Mond und Erde. Dagegen sorgte die 1:2-Resonanz zwischen Jupiter und Saturn direkt für die Störung vieler Bahnen im Asteroidengürtel zwischen Mars und Jupiter, wodurch zahlreiche Asteroiden ins innere Sonnensystem gelenkt wurden.

B. Marty and A. Meibom: Noble gas signature of the Late Heavy Bombardment in the Earth's atmosphere, eEarth 2, 43-49, 2007

R. Gomes et. al.: Origin of the cataclysmic Late Heavy Bombardment period of the terrestrial planets, Nature 435, 466-469 (26 May 2005)

Quelle: wissenschaft.de

Bioreaktor im Eis

Meldung vom 14.12.2007 - Die Grundbausteine des Lebens entstanden auf dem Mars

Vor einigen Jahren wurden rundliche Einschlüsse im Meteoriten ALH 84001 noch für "Mars-Bakterien" gehalten. Nun berichten Forscher von der Carnegie Institution in Washington: Die kohlenstoffhaltigen Gebilde entstanden wahrscheinlich bei Vulkanausbrüchen. Sie sind also keine Überreste von Lebewesen – beweisen aber, dass sich auf dem Mars vor mehr als vier Milliarden Jahren organische Moleküle bilden konnten.

Mitte der 1990er Jahre sorgte der in der Antarktis gefundene Meteorit ALH 84001 für Aufregung: Der Stein war vor mehr als vier Milliarden Jahren auf dem Mars entstanden und vor etwa 15 Millionen Jahren von einem Meteoriteneinschlag ins All geschleudert worden. Vor 13.000 Jahren dürfte er auf die Erde gestürzt sein. Die Sensation waren winzige, kohlenstoffreiche Kügelchen, die unter dem Mikroskop zu sehen waren und die manche Forscher für versteinerte Bakterien hielten. 2002 legte ein anderes Forscherteam dar, dass die Einschlüsse bei dem Einschlag entstanden seien, durch den der Gesteinsbrocken den Mars verließ.

Nun berichtet ein Team um Andrew Steele in der Zeitschrift Meteoritics and Planetary Science, dass ähnliche Einschlüsse auch auf der Erde bei Vulkanausbrüchen in einem eisigen Klima entstehen können. Sie verglichen Gestein aus Spitzbergen, das vor einer Million Jahren bei einem Vulkanausbruch entstand, mit dem Mars-Meteoriten. Sie stellten fest, dass das Polargestein ähnliche Einschlüsse enthält. Diese bildeten sich der Analyse der Forscher zufolge, weil das Eisenmineral Magnetit beim Abkühlen der Lava als Katalysator wirkte. In Flüssigkeiten, die reich an Kohlendioxid und Wasser waren, entstanden organische Verbindungen wie die polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffe (PAK), die auch in ALH 84001 gefunden wurden. Den Autoren zufolge zeigt ihre Studie erstmals, dass sich die Bausteine des Lebens auf dem Mars bilden konnten.

"Das bedeutet, dass organische Verbindungen überall im Universum auf kalten Gesteinsplaneten entstehen können", sagt Co-Autor Hans Amundsen. Die Studie liefert den Forschern Anhaltspunkte für die für 2009 geplante Mission Mars Science Laboratory. Die Landefähre soll in Bodenproben nach organischen Verbindungen suchen. "Jetzt wissen wir, dass sie da sind", sagt Andrew Steele. "Wir müssen sie nur finden."

wissenschaft.de - Ute Kehse

Anti-Aging im Saturnring

Meldung vom 14.12.2007 - Dank ständiger Materialerneuerung erscheinen die Mini-Monde viel jünger als sie tatsächlich sind.

Die Saturnringe halten sich durch eine besondere Verjüngungskur frisch: In einem fortwährenden Prozess ballen sich die Gesteins- und Eisbrocken der Ringe zu größeren Gebilden zusammen. Danach zerbröseln diese Minimonde durch Kollisionen wieder zum ursprünglichen Ringmaterial. Dieses Materialrecycling hält die Saturnringe stabil, so dass sie deutlich älter als die bislang angenommen 100 Millionen Jahre sein müssen. Unter Berücksichtigung des Materialrecyclings müssten die Saturnringe sogar über vier Milliarden Jahr alt sein und wären damit schon in der Kindheit unseres Sonnensystems entstanden.

Die Forscher analysierten die Eis- und Gesteinskörper in den Saturnringen. Die Daten lieferte die Raumsonde Cassini, die den Saturn umkreist. Aus der Größenverteilung und der Zusammensetzung der Brocken schlossen sie auf einen Recyclingprozess, in dem sich Ringmaterial zu größeren, lockeren Gebilden zusammenlagert. In mehreren Fällen konnten sie beobachten, wie diese Minimonde mit rund zehn bis zwanzig Metern Durchmesser vor einem Stern hinwegzogen. Da das Licht des dahinterliegenden Sterns durch den Mond hindurchtrat, muss er sehr porös und locker aufgebaut sein, berichten die Forscher. Durch Kollisionen mit anderen Brocken können die Minimonde dann wieder zu Ringpartikeln zerfallen. Dieser Recyclingprozess könnte so ununterbrochen weitergehen.

Bislang vermuteten Planetenforscher, dass der Saturnring nur rund 100 Millionen Jahr alt ist. Er hätte sich also erst dann gebildet, als die Dinosaurier die Erde bewohnten. Zu jener Zeit hatte entweder ein Komet einen Saturnmond zerschmettert, oder ein Mond ist seinem Planeten zu nahe gekommen und wurde durch Gezeitenkräfte zu Staub zermahlen.

Larry Esposito (Universität von Colorado in Boulder) et al.: Beitrag auf der Herbsttagung der American Geophysical Union, San Francisco

ddp/wissenschaft.de – Martin Schäfer

An der Grenze des Sonnensystems

Meldung vom 13.12.2007 - Drei Jahre nach Voyager 1 erreicht Voyager 2 die Übergangszone zum interstellaren Raum

Fast genau drei Jahrzehnte nach ihrem Aufbruch von der Erde hat die Raumsonde Voyager 2 am 30. August dieses Jahres den Schutz des Sonnensystems verlassen. Wie mehrere Forscherteams auf der Herbsttagung der American Geophysical Union in San Francisco berichteten, belegen die übermittelten Daten, dass die so genannte Heliosphäre – die Blase aus geladenen Teilchen, in die der Sonnenwind das Planetensystem hüllt – nicht rund ist, sondern eingedellt.

Voyager 2 befand sich eine Milliarde Kilometer näher an der Sonne als das Schwesterschiff Voyager 1 im Jahr 2004, als dieses die letzte Grenze des Sonnensystems erreichte. Voyager 1 bewegt sich mit höherer Geschwindigkeit, weil die Sonde nach dem Besuch der Planeten Jupiter und Saturn einen anderen Kurs einschlug als Voyager 2, der noch einen Abstecher zu Uranus und Neptun machte.

Voyager 2 überquerte die Grenze im August 2007 gleich fünf Mal innerhalb weniger Tage – eine Folge davon, dass die Heliosphäre kein statisches Gebilde ist, sondern sich je nach Sonnenaktivität aufblähen und zusammenziehen kann. Die Mehrfach-Überquerungen bescherten den Forschern eine Fülle an Daten. Denn im Gegensatz zu Voyager 1 ist bei Voyager 2 noch ein wichtiges Messgerät intakt, das Geschwindigkeit, Dichte und Temperatur der geladenen Teilchen des Sonnenwindes messen kann.

Beide Raumsonden befinden sich nun in einer Region, in der die Teilchen des Sonnenwindes von entgegenkommenden kosmischen Teilchen stark abgebremst werden. Weil von der Sonne ständig schnell Teilchen nachkommen, entstehen an der Grenze Turbulenzen. Die Folge: Eine sogenannte Schockwelle bildet sich aus, vergleichbar mit der Bugwelle eines Schiffes.

Überraschenderweise registrierte das Plasma-Instrument außerhalb der Schockwelle wesentlich kühlere Temperaturen als erwartet. Die Forscher rätseln noch über diesen Effekt, vermuten aber, dass die Energie durch Stöße auf einzelne, besonders schnelle Teilchen übertragen wird, die das Instrument nicht erfassen kann. "Wir müssen die Daten natürlich noch auswerten, aber Voyager hat uns einmal mehr überrascht", sagte Voyager-Wissenschaftler Eric Christian, vom Nasa-Hauptquartier auf der Tagung.

"Wir haben ein unglaubliches Glück, dass die beiden Sonden nach 30 Jahren immer noch arbeiten", sagt John Belcher vom Massachusetts Institute of Technology, wo das Plasma-Instrument Anfang der 1970er Jahre gebaut wurde. Das Voyager-Team geht davon aus, dass beide Sonden noch bis 2020 Daten liefern werden. In den kommenden zehn Jahren werden sie den Einflussbereich der Sonne komplett verlassen und in den interstellaren Raum vordringen.

wissenschaft.de - Ute Kehse

Platztausch im Sonnensystem

Meldung vom 13.12.2007 - Forscher: Vor etwa vier Milliarden Jahren waren Uranus und Neptun noch umgekehrt positioniert

Die Planeten Uranus und Neptun haben während der Kindheit unseres Sonnensystems ihre Plätze getauscht: In den ersten 650 Millionen Jahren nach seiner Entstehung folgten auf den Gasriesen Saturn – von innen nach außen – die kleineren Gasplaneten Neptun und Uranus, hat der amerikanische Astronom Steve Desch mit einer Computersimulation herausgefunden. Erst vor rund vier Milliarden Jahren rückte dann Neptun auf die äußerste Position im Sonnensystem vor, abgesehen natürlich von Pluto, der jedoch mittlerweile zu den Zwergplaneten gezählt wird.

Der Forscher simulierte die Entstehung des Sonnensystems im Computer, indem er die Masse der Planeten sozusagen auf ihren gesamten Orbit verschmierte. Diese Materiescheibe reicherte er virtuell solange mit Wasserstoff und Helium an, bis die Zusammensetzung von Sonne und Scheibe annähernd gleich war. Anschließend betrachtete er die Entwicklung dieser Scheibe im Computermodell. Aus bestimmten Ungereimtheiten in der Simulation schloss Desch, dass die Rechnung nur dann aufgeht, wenn sich Neptun in der Frühphase des Sonnensystems näher an der Sonne befand als Uranus. Im heute rund 4,5 Milliarden Jahre alten Sonnensystem müssen die beiden äußeren Gasplaneten daher nach etwa 650 Millionen Jahre ihre Plätze getauscht haben, schließt der Forscher aus der Simulation.

Die Planeten Uranus und Neptun haben sich in nur zehn Millionen Jahren aus der Materiescheibe herausgebildet, ergab die Simulation. Damit entwickelten sich diese Gasplaneten deutlich schneller als bislang angenommen. Die rasche Planetenentstehung stimmt mit Beobachtungen von sogenannten Exoplaneten und Materiescheiben um andere Sterne überein, betont Desch. Die Ursache für den Positionstausch beider Planeten konnten die Forscher noch nicht benennen.

Mitteilungen der Arizona State University, Phoenix

wissenschaft.de – Martin Schäfer

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