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Ann Nguyen wählte ein riskantes Projekt für ihr Studium an der Washington University in St. Louis. Ein Universitäts-Team hatte bereits 100.000 Körner eines Meteoriten gesiebt, um nach einer bestimmten Art von Sternenstaub zu suchen? ohne Erfolg.
Im Jahr 2000 beschloss Nguyen, es erneut zu versuchen. Ungefähr 59.000 Körner später zahlte sich ihre mutige Entscheidung aus. In der Science-Ausgabe vom 5. März beschreiben Nguyen und ihr Berater, Ernst K. Zinner, Ph.D., Forschungsprofessor für Physik sowie für Erd- und Planetenwissenschaften, beide in Arts & Sciences, neun Flecken von Silikat-Sternenstaub? präsolare Silikatkörner? von einem der primitivsten bekannten Meteoriten.
„Das Auffinden von präsolaren Silikaten in einem Meteoriten zeigt, dass sich das Sonnensystem aus Gas und Staub gebildet hat, von denen einige nie sehr heiß wurden, und nicht aus einem heißen Solarnebel“, sagt Zinner. "Die Analyse solcher Körner liefert Informationen über ihre Sternquellen, Kernprozesse in Sternen und die physikalische und chemische Zusammensetzung von Sternatmosphären."
1987 fanden Zinner und Kollegen von der Washington University sowie eine Gruppe von Wissenschaftlern der University of Chicago den ersten Sternenstaub in einem Meteoriten. Diese präsolaren Körner waren Flecken aus Diamant und Siliziumkarbid. Obwohl seitdem andere Typen in Meteoriten entdeckt wurden, bestand keiner aus Silikat, einer Verbindung aus Silizium, Sauerstoff und anderen Elementen wie Magnesium und Eisen.
"Dies war ein ziemliches Rätsel, da wir aus astronomischen Spektren wissen, dass Silikatkörner die am häufigsten vorkommende Art von sauerstoffreichem Getreide in Sternen zu sein scheinen", sagt Nguyen. "Bisher wurden präsolare Silikatkörner nur aus Proben interplanetarer Staubpartikel von Kometen isoliert."
Unser Sonnensystem bildete sich aus einer Wolke aus Gas und Staub, die durch die Explosion roter Riesen und Supernovae in den Weltraum gespuckt wurden. Ein Teil dieses Staubes bildete Asteroiden, und Meteoriten sind Fragmente, die von Asteroiden abgeschlagen wurden. Die meisten Partikel in Meteoriten ähneln sich, weil Staub von verschiedenen Sternen im Inferno, das das Sonnensystem formte, homogenisiert wurde. Reine Proben einiger Sterne wurden jedoch tief in einigen Meteoriten eingeschlossen. Die sauerstoffreichen Körner sind an ihren ungewöhnlichen Verhältnissen von Sauerstoffisotopen zu erkennen.
Nguyen, eine Doktorandin der Geo- und Planetenwissenschaften, analysierte etwa 59.000 Körner von Acfer 094, einem Meteoriten, der 1990 in der Sahara gefunden wurde. Sie trennte die Körner in Wasser anstatt mit aggressiven Chemikalien, die Silikate zerstören können. Sie verwendete auch eine neue Art von Ionensonde namens NanoSIMS (Secondary Ion Mass Spectrometer), mit der Objekte aufgelöst werden können, die kleiner als ein Mikrometer (ein Millionstel Meter) sind.
Zinner und Frank Stadermann, Ph.D., leitender Wissenschaftler im Labor für Weltraumwissenschaften der Universität, halfen beim Entwurf und Test des NanoSIMS, das von CAMECA in Paris hergestellt wird. Mit einem Preis von 2 Millionen US-Dollar erwarb die Washington University 2001 das erste Instrument der Welt.
Ionensonden lenken einen Ionenstrahl auf einen Punkt auf einer Probe. Der Strahl löst einige der eigenen Atome der Probe, von denen einige ionisiert werden. Dieser sekundäre Ionenstrahl tritt in ein Massenspektrometer ein, das so eingestellt ist, dass es ein bestimmtes Isotop erfasst. Somit können Ionensonden Körner identifizieren, die einen ungewöhnlich hohen oder niedrigen Anteil dieses Isotops aufweisen.
Im Gegensatz zu anderen Ionensonden kann das NanoSIMS jedoch fünf verschiedene Isotope gleichzeitig nachweisen. Der Strahl kann sich auch automatisch von Punkt zu Punkt bewegen, so dass viele Hunderte oder Tausende von Körnern in einem Versuchsaufbau analysiert werden können. "Das NanoSIMS war für diese Entdeckung von entscheidender Bedeutung", sagt Zinner. „Diese präsolaren Silikatkörner sind sehr klein? nur ein Bruchteil eines Mikrometers. Die hohe räumliche Auflösung und die hohe Empfindlichkeit des Instruments ermöglichten diese Messungen. “
Mit einem Primärstrahl aus Cäsiumionen hat Nguyen die Mengen von drei Sauerstoffisotopen sorgfältig gemessen. 16O, 17O und 18O? in jedem der vielen Körner, die sie studierte. Neun Körner mit Durchmessern von 0,1 bis 0,5 Mikrometer hatten ungewöhnliche Sauerstoffisotopenverhältnisse und waren stark an Silizium angereichert. Diese präsolaren Silikatkörner fielen in vier Gruppen. Fünf Körner wurden in 17O angereichert und in 18O leicht abgereichert, was darauf hindeutet, dass eine tiefe Vermischung in roten Riesen- oder asymptotischen Riesenaststernen für ihre Sauerstoffisotopenzusammensetzungen verantwortlich war.
Ein Korn war 18O sehr erschöpft und wurde daher wahrscheinlich in einem massearmen Stern erzeugt, wenn Oberflächenmaterial in Bereiche abfiel, die heiß genug waren, um Kernreaktionen zu unterstützen. Ein anderes wurde mit 16O angereichert, was typisch für Körner von Sternen ist, die weniger Elemente enthalten, die schwerer als Helium sind als unsere Sonne. Die letzten beiden Körner waren sowohl mit 17O als auch mit 18O angereichert und könnten daher von Supernovae oder Sternen stammen, die im Vergleich zu unserer Sonne stärker an Elementen angereichert sind, die schwerer als Helium sind.
Durch Erhalten energiedispersiver Röntgenspektren bestimmte Nguyen die wahrscheinliche chemische Zusammensetzung von sechs der präsolaren Körner. Es scheint zwei Olivine und zwei Pyroxene zu geben, die hauptsächlich Sauerstoff, Magnesium, Eisen und Silizium enthalten, jedoch in unterschiedlichen Verhältnissen. Das fünfte ist ein aluminiumreiches Silikat, und das sechste ist an Sauerstoff und Eisen angereichert und könnte Glas mit eingebettetem Metall und Sulfiden sein.
Das Überwiegen eisenreicher Körner ist überraschend, sagt Nguyen, weil astronomische Spektren in der Atmosphäre um Sterne mehr magnesiumreiche Körner als eisenreiche Körner nachgewiesen haben. „Es könnte sein, dass Eisen in diese Körner eingebaut wurde, als das Sonnensystem gebildet wurde“, erklärt sie.
Diese detaillierten Informationen über Sternenstaub beweisen, dass Weltraumforschung im Labor durchgeführt werden kann, sagt Zinner. „Die Analyse dieser kleinen Flecken kann uns Informationen wie detaillierte Isotopenverhältnisse liefern, die mit den traditionellen Techniken der Astronomie nicht erhalten werden können“, fügt er hinzu.
Nguyen plant nun, die Verhältnisse von Silizium- und Magnesiumisotopen in den neun Körnern zu untersuchen. Sie möchte auch andere Arten von Meteoriten analysieren. "Acfer 094 ist einer der primitivsten Meteoriten, die gefunden wurden", sagt sie. „Wir würden also erwarten, dass es die größte Menge an präsolaren Körnern gibt. Wenn wir uns Meteoriten ansehen, die einer stärkeren Verarbeitung unterzogen wurden, können wir mehr über die Ereignisse erfahren, die diese Körner zerstören können. “
Originalquelle: WUSTL-Pressemitteilung
