EuroGenesis_Supernova-produzierte Radionuklide und Spurenelemente (CoDustMas)

Das beantragte Projekt hat - im Rahmen des Eurogenesis Programms `Cosmic Dust as a Diagnostic for Massive Stars` - Laborstudien von kosmischem Staub zum Ziel, die mittels Beschleunigermassenspektrometrie (AMS)- Messungen an der Beschleunigeranlage VERA (Vienna Environmental Research Accelerator) der Universität Wien durchgeführt werden sollen. Dieses Projekt will zwei wesentliche Themenbereiche untersuchen: (1) die Messung von Isotopenverhältnissen von Spurenelementen in präsolaren Nanodiamanten, die dazu aus Meteoritenmaterial herausgelöst werden (Sternenstaub), z.B. Isotopenverhältnisse von seltenen Erden oder Uran. Diese Daten geben Hinweise auf r-Prozess-Signaturen in der Nukleosynthese. (2) es sollen noch vorhandene langlebige Radionuklide, die ursprünglich in einer Supernova produziert wurden, in terrestrischen Archiven gesucht werden; insbesondere 26Al, 182Hf, 244Pu und 247Cm. Präsolare Körner beinhalten wertvolle Informationen über die Bedingungen und die Entwicklung von Staub in SN- Auswürfen und Überresten. Deren Muster von stabilen Isotopen wird erfolgreich mittels der hochauflösenden und präzisen Sekundär-Ionenmassenspektrometrie bestimmt, um somit Hinweise zu spezifischen Nukleosyntheseprozessen, wie s-, r- und p-Prozess zu erhalten. Ultra-sensitive Techniken, wie z.B. AMS erlauben die Analyse von seltenen Spurenelementen in präsolarem Staub ebenfalls mittels Isotopenverhältnis-Messungen mit dem zusätzlichen Vorteil, dass diese Methode absolut frei von eventuell störendem molekularem Untergrund ist. Das vorliegende Projekt setzt sich zum Ziel, mittels AMS-Messungen ein besseres Verständnis der Nukleosyntheseprozesse und auch der Durchmischungen in einer Supernovaexplosion zu erlangen, und zwar über detaillierte Studien von Nanodiamanten, die dazu aus Meteoriten isoliert werden. Diese Arbeiten werden in Zusammenarbeit mit dem Max-Planck-Institut in Mainz durchgeführt. Des Weiteren, besteht eine Möglichkeit, frisch in einer Supernova produzierte Radionuklide in Staubpartikel eingebettet, in terrestrischen Archiven wiederzufinden. Stellare Nukleosynthese und Staubbildung nach einer SN- Explosion und ihr Transport ins Sonnensystem können über solche langlebige Radionuklide studiert werden. Geeignete Kandidaten dazu sind z.B. 60Fe, 26Al, 182Hf, and 244Pu, deren mögliche geringe Spuren in terrestrischen Archiven über die sensitive Methode AMS bestimmt werden können. Ein Beispiel, dass solche Nuklide auf der Erde zu finden sind, ist der Nachweis von 60Fe in einer Tiefseemangankruste. Die Suche nach weiteren SN-produzierten Radionukliden wie 26Al, 182Hf, 244Pu, und 247Cm bei VERA soll diese 60Fe- Messungen der TU München bestätigen und damit einen direkten Zusammenhang der Nukleosynthese massiver Sterne schaffen. Ein wichtiger Punkt wäre die direkte Bestätigung von r-Prozess-Szenarien in SN.Die Suche nach SN-produziertem 244Pu (t1/2 = 81 Ma) und 247Cm (t1/2 = 15.6 Ma) in solchen Archiven in Zusammenarbeit mit TU München und Hebrew Universität, Jerusalem dient dem direkten r-Prozess-Nachweis. Die Untersuchung von chemischer Zusammensetzung von Sternenstaub über Labormessungen an Meteoritenmaterial und an terrestrischen Proben über AMS bei VERA repräsentiert eine exzellente Methode, um Vorgänge während und kurz nach einer SN-Explosion und deren Nukleosynthese zu studieren.

Dieses Projekt hatte Laborstudien von kosmischem Staub zum Ziel. Wir untersuchten Isotopen-signaturen (stabile Isotope und Radionuklide) mittels der höchstsensitiven Beschleunigermassen-spektrometrie (AMS) an der Universität Wien, sowie an der Australischen National University (ANU, Canberra) und am Helmholtzzentrum Dresden/Rossendorf. Zwei Themenbereiche wurden untersucht:(1) Isotopenverhältnisse von Spurenelementen in präsolarem Sternenstaub; = Material, das vor der Entstehung des SS gebildet und seitdem nicht mehr verändert wurde. Wir untersuchten nanometer-große Diamanten mit AMS an der VERA-Anlage (Univ. Wien). Dieses Material wurde aus Meteoriten heraus-gelöst und auf Abweichungen in ihren Platin-Isotopensignaturen vermessen. Die Untersuchung der Isotopen-zusammensetzung von Sternenstaub ist eine exzellente Methode, um Vorgänge während und kurz nach einer SN-Explosion zu studieren. Wir konnten Isotopenanomalien in manchen Meteoritenfraktionen feststellen, wie von SN-Modellen erwartet; weitere Messungen für endgültigen Aussagen sind jedoch noch notwendig.(2) Wir suchten nach der Existenz von langlebigen Radionukliden in terrestrischen Archiven (Tiefseesedimente und -kruste). Diese Radionuklide könnten ursprünglich in einer Supernova (SN) produziert worden sein. Falls dies innerhalb einer Distanz von ca. 300 Lichtjahren zum Sonnensystem (SS) stattgefunden hat, kann derartiges Material direkt von einer SN kommend in Tiefseearchive eingebaut werden oder auch langfristig über Staubpartikel aus dem interstellaren Medium. Die Suche nach Supernova-produzierten Nukliden in terrestrischen Archiven war der Schwerpunkt unserer Untersuchungen. Wir analysierten eine Tiefseekruste aus dem Pazifik auf ihren Gehalt an einem langlebigen Pu-Isotop (244Pu, Halbwertszeit 80 Millionen Jahre). Die Kruste bildete sich extrem langsam über Mill. Jahre und erlaubte Untersuchungen der 244Pu-Produktion über einen Zeitraum von mehreren hundert Mill. Jahren in die Vergangenheit. 244Pu ist ein perfekter Marker für den sogenannten r-Prozess (Aktinidenbildung). Dieser Prozess ist verantwortlich für die Produktion der Hälfte aller schweren Elemente (schwerer als Eisen). Jedoch wissen wir nicht, wo dieser Prozess in der Natur stattfindet: entweder in SN-Explosionen oder auch bei der Verschmelzung von Neutronen-sternen. Unser Ergebnis ist mehr als 100 empfindlicher als frühere Messungen und zeigt, dass dieser r-Prozess unerwarteterweise in den letzten paar 100 Mill. Jahren sehr selten gewesen sein muss. Weiters analysierten wir vier Tiefseesedimente aus dem Indischen Ozean für einen Zeitbereich von heute bis vor 8 Mill. Jahre. Unser Ziel war hier die Suche nach kürzlich gebildeten Radionukliden in einer nahen SN. Wir analysierten ~100 Proben auf eine extraterrestrische Signatur von 26Al und 60Fe. Diese Messungen fanden an der VERA-Anlage, in Dresden (chemische Aufbereitung) und an der ANU, Canberra (60Fe) statt. Wir finden ein klares Signal an 60Fe mit hoher Zeitauflösung für den Zeitraum von 1.73 Mill. Jahre und bestätigen eine erste Vermutung von früheren, weniger zeitaufgelösten Messungen an einer Tiefseekruste. Dieses Signal konnte nicht auf der Erde erzeugt worden sein und ist ein eindeutiger Hinweis auf eine Supernova-Aktivität vor ein paar Mill. Jahren in relativer Nähe zu unserem Sonnensystem.