Supernova-Schockwelle vermutlich Ursache für Entstehung des Sonnensystems

  • 09. August 2012

Die Isotopenhäufigkeit in Meteoriten ist laut Simulationen am besten durch die Stoßfront einer Supernova erklärbar.

Lange Zeit war die Frage ungeklärt, was zum Kollaps der Molekülwolke führte, aus der sich schließlich unser Sonnensystem gebildet hat. Vor allem zwei Ereiginisse wurden als mögliche Ursache diskutiert: Einerseits die Schockfront einer Supernova, andererseits die Bugwelle eines expandierenden Planetarischen Nebels – das sind die abgestoßenen Gasschichten alter, heißer Sterne. Forscher der Carnegie Institution haben nun in 3-D-Simulationen erstmals zeigen können, dass Supernova-Schockfronten, die in bestimmten ursprünglichen Meteoriten beobachteten Isotopenhäufigkeiten, erklären können. In diesen uralten Meteoriten – den Chondriten – ist die Element-Zusammensetzung des frühen Sonnensystems konserviert. Die Ergebnisse decken sich mit bereits früher vorgenommenen zweidimensionalen Simulationen.

Abb. : Dichteverteilung des Gases über eine räumliche Ausdehnung von ungefähr einem zehntel Lichtjahr, 20.000 Jahre nach dem Aufeinandertreffen. Die Schockwelle fällt von oben ein und staucht dabei die Molekülwolke zusammen, wobei einige „Finger“ ihres Materials in diese eindringen werden. (Bild: A. Boss / S. Keiser)

Abb. : Dichteverteilung des Gases über eine räumliche Ausdehnung von ungefähr einem zehntel Lichtjahr, 20.000 Jahre nach dem Aufeinandertreffen. Die Schockwelle fällt von oben ein und staucht dabei die Molekülwolke zusammen, wobei einige „Finger“ ihres Materials in diese eindringen werden. (Bild: A. Boss / S. Keiser)

Ein entscheidendes Isotop in der Geschichte unseres Sonnensystems ist Eisen-60. Es wird in größeren Mengen nur in den Kernreaktionen schwerer Sterne oder bei Supernovae gebildet und besitzt eine Halbwertszeit von gut zweieinhalb Millionen Jahren. Bei der Entstehung der ersten Meteoriten wurde Eisen-60 in die Kristallstruktur eingebaut. Mittlerweile ist es über Kobalt-60 vollständig in das stabile Tochterisotop Nickel-60 zerfallen. Aus den Isotopenverhältnissen dieser Elemente können Wissenschaftler deshalb die Häufigkeit von Eisen-60 im frühen Sonnensystem bestimmen und damit den Anteil an Material, das von äußeren Schockfronten in die Urwolken getragen worden sein muss.

Die Zeitspanne hierfür ist astronomisch gesehen kurz und schränkt die Transportmechanismen deutlich ein. Denn in wenigen Millionen Jahren musste das Eisen-60 erzeugt und in der Umgebung verteilt werden, um sich schließlich mit dem protostellaren Nebel zu vermischen und zum Meteoritenmineral auszukristallisieren. Aus den Isotopenverhältnissen können die Wissenschaftler auch ablesen, dass nicht erst die Tochterelemente in das Meteoritenmaterial injiziert wurde. Denn ihre Häufigkeiten in den Mineralphasen entsprechen nicht den dann zu erwartenden Verteilungen.

In ihrem hydrodynamischen Modell simulierten die Forscher eine Molekülwolke von ungefähr einem zehntel Lichtjahr Ausdehnung, auf die von oben eine Schockfront traf. Die Parameter der Schockfront, wie Dichte und Geschwindigkeit, glichen sie an typische Werte an, wie sie bei Supernovae oder Planetarischen Nebeln erreicht werden. An den Fronten einer Supernova herrscht aber eine bis zu hundertfach geringere Dichte. In hinreichender Entfernung von über zehn Lichtjahren ist eine solche Schockfront auf einige hundert Kelvin abgekühlt und nur noch rund 40 Kilometer pro Sekunde schnell. Aufgrund der geringeren Dichte eine Supernova-Schockfront schiebt die Molekülwolke diese weniger stark vor sich her, vermischt sich aber dafür stärker mit ihr. Dabei dringen bis zu hundert „Finger“ in die Gaswolke ein.

Abb. : Dieselbe Simulation, diesmal 60.000 Jahre nach dem ersten Zusammenstoß. Der Kernbereich der Molekülwolke ist kollabiert zu einem Protostern mit einem Radius von etwa 100 Astronomischen Einheiten. (Bild: A. Boss / S. Keiser)

Abb. : Dieselbe Simulation, diesmal 60.000 Jahre nach dem ersten Zusammenstoß. Der Kernbereich der Molekülwolke ist kollabiert zu einem Protostern mit einem Radius von etwa 100 Astronomischen Einheiten. (Bild: A. Boss / S. Keiser)

In den zentralen Bereich der Wolke, der durch die Schockwelle zum gravitativen Kollaps gebracht wird, stoßen aber nur wenige Finger vor – vielleicht sogar nur einer. Diese Einstülpungen sind es, die schließlich das Material der Supernova in die Molekülwolke injizieren und damit auch das Eisen-60, dessen Zerfallsprodukte man in Meteoriten finden kann.

Bei den simulierten Zusammenstößen der Schockfront mit der Molekülwolke bildete sich in den meisten Fällen ein protostellarer Kern von ungefähr einer Sonnenmasse heraus. Aus dieser verdichteten Zone von rund 100 Astronomischen Einheiten, die sich unter ihrer eigenen Gravitation zusammenzieht, entstand schließlich ein Sonnensystem wie das unsere. Eine Astronomische Einheit entspricht dabei dem Abstand der Erde von der Sonne.

Die Forscher konnten aus ihren Simulationen ablesen, dass sich nach rund 20.000 Jahren der innere Bereich der Molekülwolke etwa um einen Faktor 30 verdichtet hatte. Nach weiteren 40.000 Jahren entsprach die Verdichtung allerdings schon einem Faktor 100.000. In dieser Zeitspanne wurde also das Saatkorn gelegt, aus dem sich unser Sonnensystem gebildet hat. Auch wenn die Modelle noch eine Feinabstimmung ihrer Parameter benötigen, um die Durchmischung der Molekülwolke mit dem teils radioaktiven Inventar der Supernova-Schockfront zu erklären, sprechen die Simulationen doch deutlich für eine Supernova als Auslöser des Kollapses der Molekülwolken.

Dirk Eidemüller

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PH

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