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Meteorit als kosmisches Tonband

Elektronenmikroskop bestimmt älteste magnetische Aufzeichnung unseres Sonnensystems

Über 4,5 Milliarden Jahre reiste der Meteorit Bishunpur durchs All, bevor er vor über 100 Jahren in Nordindien auf die Erde stürzte. In sich trug er die älteste bislang bekannte magnetische Aufzeichnung. Sie stammt noch aus der Frühphase unseres Sonnensystems, wie Forscher aus Großbritannien, Deutschland und Norwegen herausgefunden haben. Für ihre Untersuchungen nutzten sie die Elektronenmikroskope des Ernst Ruska-Centrum am Forschungszentrum Jülich, die zu den besten Instrumenten der Welt gehören und normalerweise zur Erforschung von Halbleitern, Superleitern und Katalysator- und Nanomaterialien zum Einsatz kommen.

Ein leuchtender Ball von braun aussehenden Wolken umgebenKünstlerische Anmutung einer protoplanetarischen Scheibe aus Gas und Staub.
Copyright: NASA/JPL-Caltech

Der Bishunpur-Meteorit ist ein Chondrit, das ist die häufigste und älteste Klasse von Meteoriten. Von ihnen stammt das älteste Material, das wir heute auf der Erde haben. Ihr feinkörniges Gestein enthält millimetergroße Schmelzkügelchen, sogenannte Chondren, die sich seit der Entstehung des Sonnensystems kaum nennenswert erhitzt oder anderweitig verändert haben. Einige dieser Chondren schließen nur wenige Nanometer große Eisenkörnchen ein, denen die Forscher ein paar Geheimnisse über die Zustände zur Geburtsstunde unseres Sonnensystems entlocken möchten.

"Wenn man bedenkt, dass sich diese eisernen Körnchen bei der Entstehung des Sonnensystems vor 4,6 Milliarden Jahren gebildet haben, so ist es durchaus möglich, dass sie das magnetische Feld aufgenommen haben, das zu dieser Zeit bestand", erklärt der ehemalige Doktorand Jay Shah, der kürzlich vom Londoner Imperial College ans Massachussetts Institute of Technology wechselte.

Das magnetische Feld, dessen Spuren der Bishunpur möglicherweise immer noch in sich trägt, sind für die Wissenschaft von großem Interesse. Es könnte eine der treibenden Kräfte gewesen sein, die dazu führten, dass das frühe Sonnensystem in einer – astronomisch gesehen – atemberaubend kurzen Zeitspanne von wenigen Millionen Jahren aus einer Scheibe aus Gas und Staub entstand. Die Frage, nach welchen Mechanismen sich dieser Prozess vollzog, treibt Forscher bis heute um.

Die eisernen Körnchen, die die Forscher am Jülicher Ernst-Ruska-Centrum vermessen haben, bestehen aus Kamacit. Die Varietät des Eisens kommt nur in Meteoriten auf der Erde vor. Es entstand, wie man heute vermutet, durch Zusammenstöße im frühen Sonnensystem, bei denen das erhitzte Material aufschmolz, und anschließend unter dem Einfluss des vorherrschenden magnetischen Felds wieder erstarrte. Das Magnetfeld im frühen Sonnensystem zeichnete sich dabei, ähnlich wie bei einer Tonbandaufnahme, in den Strukturen des magnetischen Materials ab.

Ob die heute beobachtbare magnetische Signatur tatsächlich noch aus der Urzeit des Sonnensystems herrührt, konnten die Forscher zunächst nicht sicher sagen. Die Proben sind, anders als die vor ein paar Jahren untersuchten Teile des Semarkona-Meteoriten, nicht einheitlich magnetisiert. „Die Magnetisierung, die diese eisernen Körnchen aufweisen, bilden komplexe, ungleichmäßige Wirbelstrukturen aus, deren Stabilität man mit bisherigen Theorien nicht vorhersagen kann“, erläutert Shah.

Wie bei den meisten meteoritischen Proben, die aus den Anfängen des Sonnensystems stammen, war daher bis jetzt unklar, ob die magnetischen Strukturen über die lange Zeit von über 4 Milliarden Jahren erhalten geblieben sind. Der Nachweis gelang den Forschern schließlich mit einer speziellen räumlichen Abbildungsmethode, der sogenannten Elektronenholografie, am Forschungszentrum Jülich. Diese Technik haben Prof. Rafal Dunin-Borkowski und seine Kollegen am Ernst Ruska-Centrum in Jülich entwickelt und erweitert. Die Methode ermöglichte es den Forschern, gemeinsam mit Jay Shah die Stabilität der magnetischen Wirbel beim Erhitzen der meteoritischen Eisenkörnchen bis auf mehrere Hundert Grad Celsius zu beobachten. In dem sie ihre Berechnungen mit den Ergebnissen aus den Experimenten verglichen, konnten die Wissenschaftler anschließend zeigen, dass die magnetischen Strukturen bemerkenswert stabil sind. Über das Lebensalter unseres Sonnensystems hinweg dürften sie sich nicht beträchtlich verändert haben. Die Arbeiten legen nahe, dass Eisenkörnchen in unverändert aufgefundenen chondritischen Meteoriten die ältesten magnetischen Aufzeichnungen in unserem Sonnensystem tragen können.

Originalpublikation:

Jay Shah, Wyn Williams, Trevor P Almeida, Lesleis Nagy, Adrian R Muxworthy, András Kovács, Miguel A Valdez-Grijalva, Karl Fabian, Sara S Russell, Matthew J Genge and Rafal E Dunin-Borkowski: The oldest magnetic record in our solar system identified using nanometric imaging and numerical modelling, Nature Communications 9 (2018) 1173

Tobias Schlößer