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High precision isotopic measurements of heavy elements in extra-terrestrial materials: origin and age of the solar system volatile element depletion

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Mit neuen innovativen Verfahren die Ursprünge des Sonnensystems enträtseln

Durch Vermessung flüchtiger Elemente in extraterrestrischer Materie erfährt die Wissenschaft mehr über die Entstehung der Erde, des Mondes und sogar unseres Wassers.

Weltraum

Die Forschenden schreiben hier ständig an einer der großartigsten Geschichten weiter, die jemals erzählt wurden: dem Ursprung unseres Sonnensystems. Zu verstehen, wie unsere Planeten entstanden sind, wird nicht nur die allgemeine Neugier befriedigen, sondern auch eine Hilfe bei der Suche nach anderen bewohnbaren Welten im Universum sein. Schlüsselbedeutung kommt den flüchtigen Elementen zu; chemischen Stoffen wie Wasserstoff, Kohlendioxid und Wasser, die sich leicht in Dampf umwandeln. Flüchtige Elemente spielen in den funktionellen Prozessen eines Planeten eine Hauptrolle und sind für die Entwicklung von Leben von zentraler Bedeutung. Auf der Erde bestimmen sie die physikalischen Eigenschaften der Gesteine sowie die Bewegung des Erdmantels und tragen zur Erzeugung unseres Magnetfelds bei. Das EU-finanzierte Projekt PRISTINE hat nun ein neues Verfahren entwickelt, um noch mehr über flüchtige Elemente zu erfahren. Anstatt die Häufigkeit flüchtiger Elemente zu messen, analysiert das PRISTINE-Team deren Isotope, d. h. Atome chemischer Elemente, die eine leicht abweichende Masse aufweisen. Isotope entwickeln sich im Lauf der Zeit aufgrund physikalischer und chemischer Veränderungen in der Umwelt, sodass ihre Analyse auf in der Vergangenheit stattgefundene Prozesse hinweisen kann. PRISTINE konzentrierte sich auf Isotopenverhältnisse in extraterrestrischen Proben, die bei früheren Weltraummissionen gesammelt wurden. Das Projekt hat bereits einen Beitrag zu unserem Verständnis des Ursprungs des Mondes geleistet. Eine Haupttheorie besagt, dass der Mond durch eine Kollision zwischen der Urerde und einem anderen kleinen Planeten entstanden ist. „Anhand unserer Daten können wir erstmalig vorschlagen, dass der Mond nach diesem Ereignis seine flüchtigen Bestandteile verloren haben muss und dass diese wahrscheinlich auf der Erde niedergingen“ sagt Frederic Moynier, Kosmochemiker an der Universität Paris.

Neue Verfahren spüren flüchtige Elemente auf

Das Team nutzte eine Reihe hochmoderner Instrumente, bekannt als Multikollektor-Massenspektrometer mit induktiv gekoppeltem Plasma, die Isotopenverhältnisse analysieren. „Bei diesen Massenspektrometertyp werden die Elemente in einem Plasma aus Argon ionisiert, elektromagnetisch getrennt und dann ihre Häufigkeit gemessen“, erläutert Moynier. Eine Schwierigkeit dabei besteht darin, dass nur das gewünschte Element in das Gerät überführt werden darf, sodass das reine Element mit chemischen Methoden aus den Proben extrahiert und den Rest verworfen werden muss. Das Team hat Verfahren entwickelt, um die Isotopenverhältnisse flüchtiger Metalle wie Zink und Rubidium in Mond- und Erdproben zu analysieren. „Wir konnten demonstrieren, dass die Verarmung des Mondes an flüchtigen Bestandteilen während eines großräumigen Verdampfungsprozesses stattgefunden haben muss. Mit anderen Worten: Das Material, aus dem der Mond entstanden ist, beinhaltete flüchtige Stoffe, und diese sind schon während seiner Entstehung verloren gegangen“, sagt er.

Neues Projekt forscht weiter

Die Ergebnisse bedeuten zwar einen großen Fortschritt für unseren Erkenntnisstand über die Entstehung des Mondes, aber es bleiben immer noch viele Fragen unbeantwortet. „Wir vermuten zum Beispiel, dass die flüchtigen Bestandteile des Mondes zurück auf die Erde gefallen sind, aber dabei handelt es sich um keinen trivialen Mechanismus. Wir arbeiten jetzt mit Fachleuten zusammen, die astrophysikalische Modelle entwickeln, um dieses Problem zu lösen“, fügt er hinzu. PRISTINE ist abgeschlossen, Moynier wird jedoch die Forschung im Rahmen einer neuen Finanzhilfe des Europäischen Forschungsrats vertiefen. Im nächsten Projekt mit dem Titel METAL wird versucht, ein noch vollständigeres Bild des frühen Sonnensystems auszugestalten. „Wenn wir erst einmal wissen, wie die Planeten des Sonnensystems zu ihren flüchtigen Bestandteilen gekommen sind, könnten wir diese Kenntnisse auf extrasolare Planeten anwenden“, so Moynier. Das Ganze ist umso aufregender, da neue Bilder vom kürzlich gestarteten James-Webb-Weltraumteleskop der NASA und Proben zu erwarten sind, die eine japanische Raumsonde auf dem Asteroiden Ryugu entnommen hat.

Schlüsselbegriffe

PRISTINE, Mond, Erde, Sonne, System, Ursprung, flüchtig, Entstehung, Weltraum, Planeten, Wasser

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