Der vielbeschworene Sternenstaub, aus dem alles besteht, kann im Fall des radioaktiven Elements Plutonium genauer beschrieben werden. Einer aktuellen Studie zufolge gibt es nämlich Hinweise darauf, dass für das Entstehen des nicht-menschengemachten Plutoniums auf der Erde hauptsächlich das Verschmelzen von Neutronensternen verantwortlich war.

Unter der Leitung des österreichischen Physikers Anton Wallner, der an der Australischen Nationaluniversität in Canberra und am Dresden-Rossendorfer Helmholtz-Zentrum (HZDR) forscht, wurden Bohrproben der Erdkruste unter dem Grund des Pazifiks untersucht. Das Forschungsteam analysierte den Gehalt bestimmter Isotope von Eisen und Plutonium in dem über rund zehn Millionen Jahre gebildeten Stück Gestein. Denn schwere Elemente wie Eisen oder Plutonium werden am Lebensende von massereichen Sterne gebildet und über gewaltige Explosionen (Supernovae) ins All befördert.

Für das Entstehen einer Vielzahl von schweren chemischen Elementen, wie Uran oder eben Plutonium, ist der sogenannte r-Prozess verantwortlich. Dabei werden relativ rasch Neutronen von Atomkernen eingefangen, was uns diese Elemente letztlich beschert. Das geschieht allerdings nur unter Extrembedingungen – bei einer hohen Dichte an vorhandenen Neutronen und extremen Temperaturen. Ob es dazu zwei Neutronensterne braucht, die in einer sogenannten "Kilonova" verschmelzen, oder ob das auch bei Supernova-Explosionen stattfinden kann, ist noch nicht vollständig geklärt.

Supernova in Erdnähe

Aufgrund der Tatsache, dass das radioaktive Plutonium langsam zerfällt, können die aktuell auffindbaren Spuren des Metalls nicht seit der Entstehung der Erde vor Milliarden Jahren in der Erdkruste eingelagert sein. Auffindbares Plutonium, das nicht aus menschlichen Aktivitäten stammt, muss demnach aus spektakulären kosmischen Events stammen.

Die Forscher interessierten sich in ihrer im Fachjournal "Science" erschienenen Arbeit vor allem für das langlebige radioaktive Isotop Eisen-60 (Fe-60), das aus Supernovae stammt. "Der Anteil des Eisen-60 aus dem Weltraum in der Kruste ist nur ein Millionstel eines Milliardstels der Menge des normalen Eisens, das auf der Erde natürlich vorkommt", so Wallner in einer Aussendung des HZDR. Der Nachweis von Fe-60 in Bohrproben aus der Tiefsee ist daher ein klarer Nachweis für eine Supernova in Erdnähe.

Erste deutliche Spuren in Erdkruste

Die Forschenden fanden in den Proben Hinweise auf zwei besondere Häufungen des Eintrags von Fe-60 im Untersuchungszeitraum: Einmal geschah dies vor rund sieben Millionen Jahren und ein weiteres Mal in der Zeitspanne von vier bis einer Million Jahren.

Außerdem fanden sich wenige Atome des Isotops Plutonium-244 (Pu-244), das mit einer sehr langen Halbwertszeit von rund 81 Millionen Jahren zerfällt und im r-Prozess gebildet wird. "Es ist das erste Mal, dass Spuren seines Vorhandenseins in geologischen Archiven der Erde – wie etwa unserem Krustenmaterial – so deutlich gefunden wurden", sagt Wallner.

Kosmische Ausnahmesituation

Es zeigte sich aber, dass jeder Eintrag des in Supernovae gebildeten Fe-60 von einem deutlich niedrigerem Auftreten von Pu-244 begleitet war. Es könne sein, dass beide Isotope in denselben Supernovae-Ereignissen gebildet und ausgeworfen wurden. Da die Konzentrationen von Pu-244 allerdings sehr gering sind, erscheint es eher unwahrscheinlich, dass eine Supernova jenes Umfeld ist, in dem der r-Prozess größtenteils abläuft.

Die Zusammenballung von Elementen wie Plutonium dürfte, wie auch neuere wissenschaftliche Arbeiten nahelegen, demnach vorrangig in anderen kosmischen Ausnahmesituationen wie beim Verschmelzen von Neutronensternen stattfinden. Um diese Frage aber aufzuklären, brauche aber es laut dem Forschungsteam jedoch weitere Daten. (red, APA, 14.5.2021)