Auf dem Bildschirm des Elektronen- mikroskops erscheint in 50 000-facher Vergrößerung ein Staubkorn. Es hat eine weite Reise hinter sich: Das Korn ist älter als unser Sonnensystem und wurde von der Schockwelle einer gewaltigen Sternexplosion getroffen. „ Irgendwie ist es verrückt, dass dieses winzige Staubkorn, kleiner als ein tausendstel Millimeter, eine derart spektakuläre Geschichte erzählt”, bekennt Christian Vollmer vom Mainzer Max-Planck-Institut (MPI) für Chemie, während er das Korn auf dem Bildschirm betrachtet. Und er fügt hinzu: „Noch verrückter ist allerdings, dass wir diese Geschichte überhaupt entschlüsseln konnten!” Wieso kann Vollmer „Sternenstaub”, älter als unsere Sonne, hier auf der Erde analysieren? Und was bedeutet dieses märchenhafte Wort überhaupt?
Wer die Sprache der Körner verstehen will, der muss zunächst ein paar Dinge über Astrophysik wissen: Die meisten Atome unseres Körpers und der Erde sind im Innern von Sternen erzeugt worden. Beim Urknall selbst haben sich aus den Grundbausteinen nur die sehr leichten Elemente gebildet – vor allem Wasserstoff und Helium. Alle weiteren Elemente schmolzen erst später in den Millionen Grad heißen Zentren der Sterne zusammen. Gerade die wichtigsten Atomsorten, aus denen wir gemacht sind, wie Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff, werden nur in den Reaktoren der Sterne hergestellt. Wenn der Brennstoff eines Sterns zur Neige geht, bläht er sich zu einem „Roten Riesenstern” auf oder, wenn er besonders schwer ist, explodiert als gewaltige „ Supernova”, und schleudert die Reste seines Materials nach außen. In diesen sich abkühlenden Gaswolken klumpen Staubkörner zusammen. Dieser Sternenstaub speichert eine Art genetischen Fingerabdruck seines Muttersterns und trägt diese Information in die Weiten des Alls hinaus.
Wenn Millionen von Jahren später aus einer Gas- und Staubwolke dann ein neuer Stern kollabiert, ist die Asche des vergangenen Sterns Teil des neuen. Der Kreislauf beginnt von vorne. So war es auch in unserem Sonnensystem, als es vor viereinhalb Milliarden Jahren entstand. Der Großteil der ursprünglichen Materie, die unser Sonnensystem bildete, wurde dabei wie in einem gewaltigen Rührkuchen vermischt und aufgeheizt. Atome verdampften und setzten sich zu neuem Staub und größeren Körpern zusammen, aus denen schließlich die Planeten entstanden. Unsere Erde besteht also aus Sternenstaub. Ein winziger Bruchteil des uralten Sternenstaubs jedoch überlebte diese Prozesse in Meteoriten, die sich niemals stark aufgeheizt haben – diese Atome wurden nicht Teil eines Baumes, Berges oder Bären. Dieser Staub blieb Staub. Der Fingerabdruck der Muttersterne ist noch immer in ihnen konserviert. „Wir müssen also nur diesen Sternenstaub in Meteoriten, die auf die Erde fallen, finden und untersuchen”, sagt Vollmer, als wäre das das Einfachste auf der Welt. An diesen Körnern können die Wissenschaftler dann nämlich in der Praxis erforschen, was sonst nur mit Modellrechnungen möglich wäre: Welche Sterne haben Staub in unser Sonnensystem geliefert? Wie fusionieren die Elemente in den Sternen? Wie entstehen Staubkörner in den Winden sterbender Sterne und in Supernova-Explosionen? „Letztlich geht es auch um die Frage, aus welchem Stoff wir gemacht sind”, hebt Vollmer die philosophische Komponente seiner Arbeit hervor.
Der Jungforscher hat es dabei auf eine besondere Klasse des Sternenstaubs abgesehen: Silikat-Minerale wie Olivin, den man auch als Schmuckstein kennt, und Pyroxen. Sie sind Hauptbestandteil der festen Himmelskörper des Sonnensystems und damit auch der Erde und auch die häufigste Art von Staub in der Milchstraße. Trotzdem ist dieser „silikatische” Sternenstaub erst im Jahr 2002 entdeckt worden, denn dafür war die Entwicklung eines speziellen Analysegeräts erforderlich, mit dem man verschiedene Atomsorten in winzigsten Körnern messen kann. Diese „ NanoSIMS” – SIMS steht für „Sekundärionen-Massenspektrometer” – am MPI für Chemie war das wichtigste Werkzeug, mit dem Vollmer bei seiner Arbeit dem Sternenstaub auf die Spur kam.
In der NanoSIMS schießt ein Strahl aus Cäsium-Ionen die Atome aus den obersten Schichten der Meteoritenprobe heraus. Dieser Strahl ist tausendmal dünner als ein menschliches Haar und rastert den Meteoriten rasend schnell wie bei einem Fern- seher ab. Die losgelösten Atome werden dann analysiert. Am Ende der Ionen-Schießerei ergibt sich also ein Bild von der Oberfläche der Probe, das die Verteilung der einzelnen Atomsorten zeigt. Und weil die Zusammensetzung des Sternenstaubs anders ist als die Materie des Meteoriten, lässt sich der Staub auf diese Art und Weise sichtbar machen. „Wir suchen den Meteoriten also wie mit einer Lupe Korn für Korn ab – nur dass nicht Licht durch diese Lupe fällt, sondern die atomaren Bestandteile der Körner”, versucht Vollmer die komplizierte Technik zu erklären.
DIE URAHNEN UNSERER SONNE
Bisher wusste man noch sehr wenig über die genaue Herkunft des silikatischen Sternenstaubs. Durch die Analysen mit der NanoSIMS konnte Vollmer zeigen, dass der Großteil in Roten Riesensternen entstanden ist. Ein Bruchteil der Körner jedoch stammt aus anderen, weitaus spektakuläreren Quellen. Ein Zehntel des Sternenstaubs ist nämlich in den Überresten von Supernova-Explosionen extrem schwerer Sterne zusammengeklumpt, ein weiterer Bruchteil höchstwahrscheinlich in den Gaswolken von Doppelsternsystemen. Diese Sterne waren sozusagen die Urahnen unserer Sonne – und damit auch von uns selbst. Die NanoSIMS-Analysen in Vollmers Arbeit haben deren Fingerabdrücke in der Zusammensetzung des Sternenstaubs sichtbar gemacht.
„Wir alle sind aus Sternenstaub!” Die Songzeile aus dem Hit von „ich+ich” stimmt also. Der Song hallt in seinen Ohren, während sich Vollmer über den Bildschirm beugt. Wie kommt also der Sternenstaub vom Meteoriten in das Elektronenmikroskop? Dazu mussten die Forscher die Körner nach der Entdeckung durch die NanoSIMS weiter bearbeiten – mit hochpräzisen Methoden aus der Halbleiterindustrie. Denn damit man ein Staubkorn mit Elektronen durchstrahlen und analysieren kann, muss es extrem dünn sein, nur etwa ein zehntausendstel Millimeter. Das Korn selbst ist dafür noch viel zu dick. Deshalb hat Vollmer die Meteoritenprobe erneut mit Ionen beschossen – dieses Mal mit einem Strahl aus Gallium, zehnmal dünner noch als der Cäsiumstrahl der NanoSIMS. Wie mit einem winzigen Skalpell lässt sich mit dieser Technik eine elektronendurchlässige Scheibe des Korns zurechtschneiden, die dann eine feine Nadel aus dem Meteoriten heraustrennt. Dieser Schnitt kann dann im Elektronenmikroskop analysiert werden. „Dies ist ein heikler Prozess, denn das Korn kann dabei jederzeit verloren gehen”, erklärt Vollmer, dem nur neun Präparationen insgesamt gelangen. Das klingt zwar nach sehr wenig, doch muss man bedenken, dass zu Beginn seiner Arbeit erst sechs Sternenstaubsilikate weltweit im Elektronenmikroskop untersucht worden waren. In Zusammenarbeit mit der Universität Saarbrücken wurde diese Ionenstrahlmethode derart weiterentwickelt, dass Vollmer seinen Sternenstaub immer erfolgreicher präparieren konnte.
EINE ERSTAUNLICHE ENTDECKUNG
Das Elektronenmikroskop ist schließlich der letzte Schritt, um dem Sternenstaub seine Geheimnisse zu entlocken. Bei dem Korn, das nun vor dem jungen Forscher auf dem Bildschirm flimmert, handelt es sich um eine besonders spannende Entdeckung: Dieses Sternenstaubsilikat hat keine der üblichen Silikat-Strukturen, sondern ist offenbar in die Modifikation „Perowskit” umgewandelt, die erst ab einem Druck von etwa 230 000 Atmosphären stabil ist – genauso wie Graphit unter hohem Druck zu Diamant werden kann. „ Erstaunlicherweise handelt es sich bei Silikat-Perowskit um die häufigste Mineralart des unteren Erdmantels und damit der gesamten Erde!”, sagt Vollmer, von Haus aus eigentlich Geologe und deshalb besonders beeindruckt. Die Astrophysik hat ihn also zurück zu seinem ursprünglichen Forschungsgebiet gebracht. Wieso besitzt ein Sternenstaubkorn, das nachweislich in den Winden eines fernen Sterns unter extrem geringem Druck zusammengeklumpt ist, eine Hochdruckstruktur?
Die beste Erklärung hierfür ist ebenso faszinierend wie unerwartet: Höchstwahrscheinlich hat nämlich die Supernova-Schockwelle eines explodierenden Sterns das Korn für Sekundenbruchteile zusammengepresst, während es im Weltraum unterwegs war. Das kann mit Staubkörnern im All durchaus passieren. Trotzdem ist dies ein völlig unerwartetes Resultat, denn bisher war man davon ausgegangen, dass Staubkörner eine solche Konfrontation nicht überleben und komplett verdampfen. Die Entdeckung dieses Korns, das einzige seiner Art bisher weltweit, beweist somit, dass Staub einen solchen Schock auch verkraften kann. Die wissenschaftliche Ironie dieses Fundes lässt Vollmer schmunzeln: „Denn eigentlich untersuchen wir ja Staubkörner ferner Sterne, älter als unser Sonnensystem. Doch was finden wir: das häufigste Mineral der Erde …!” ■
von Christian Vollmer
