Heavy Metal auf kalten Kometen

Eisen und Nickel kommen in den Atmosphären von Kometen in unserem gesamten Sonnen­system vor, sogar in denen, die weit von der Sonne entfernt sind. Dies zeigt eine neue Studie eines belgischen Teams, das Daten des Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte (ESO) verwendet. In einer weiteren Untersuchung eines polnischen Teams, das ebenfalls ESO-Daten verwendete, haben die Forscher Nickeldampf auch in dem eisigen interstellaren Kometen 2I/Borisov gefunden. Dies ist das erste Mal, dass Schwer­metalle, die normalerweise mit heißen Umgebungen assoziiert werden, in den kalten Atmosphären entfernter Kometen gefunden wurden. 
 

„Wir waren sehr überrascht, Eisen- und Nickelatome in der Atmosphäre aller etwa zwanzig Kometen zu finden, die wir in den letzten zwei Jahrzehnten beobachtet haben, und sogar in solchen, die sich in der kalten Umgebung des Weltraums weit von der Sonne entfernt befinden“, sagt Jean Manfroid von der Universität Lüttich, Belgien. Es ist bekannt, dass Schwer­metalle im staubigen und felsigen Inneren von Kometen vorkommen. Aber da feste Metalle bei niedrigen Temperaturen normalerweise nicht sublimieren, hatten die Forscher nicht erwartet, sie in den Atmosphären kalter Kometen zu finden, die weit von der Sonne entfernt sind. Nickel- und Eisendämpfe wurden nun sogar in Kometen nach­gewiesen, die mehr als 480 Millionen Kilometer von der Sonne entfernt sind, mehr als das Dreifache der Entfernung Erde-Sonne.

Das belgische Team fand Eisen und Nickel in den Atmosphären von Kometen in etwa gleichen Mengen. Material in unserem Sonnensystem, zum Beispiel das in der Sonne und in Meteoriten, enthält normalerweise etwa zehnmal mehr Eisen als Nickel. Dieses neue Ergebnis hat daher Auswirkungen auf das Verständnis der Astronomen über das frühe Sonnensystem. Allerdings ist das Team noch dabei zu entschlüsseln, welche das sind.

„Kometen entstanden vor etwa 4,6 Milliarden Jahren, im sehr jungen Sonnensystem, und haben sich seit dieser Zeit nicht verändert. In diesem Sinne sind sie wie Fossilien für Astronomen“, sagt Studien-Koautor Emmanuel Jehin, ebenfalls von der Universität Lüttich. Während das belgische Team diese Objekte schon seit fast zwanzig Jahren mit dem VLT der ESO untersucht, hatten sie bisher keine Spuren von Nickel und Eisen in deren Atmosphären entdeckt. „Diese Entdeckung verlief viele Jahre lang unter dem Radar“, sagt Jehin.

Die Forschungsgruppe nutzte Daten des UVES-Instruments (Ultraviolet and Visual Echelle Spectrograph) am VLT der ESO, um die Atmosphären von Kometen in verschiedenen Entfernungen zur Sonne zu analysieren. Das belgische Team hatte schwache, nicht identifizierte Spektrallinien in ihren UVES-Daten entdeckt und stellte bei näherer Betrachtung fest, dass sie eine Signatur von neutralen Eisen- und Nickelatomen darstellten. Ein Grund, warum die schweren Elemente schwer zu identifizieren waren, ist, dass sie in sehr geringen Mengen vorkommen: Das Team schätzt, dass auf 100 Kilogramm Wasser in den Kometenatmosphären nur 1 Gramm Eisen und etwa die gleiche Menge Nickel kommt.

„Normalerweise gibt es zehn Mal mehr Eisen als Nickel. In diesen Kometenatmosphären fanden wir aber ungefähr die gleiche Menge für beide Elemente. Wir kamen zu dem Schluss, dass sie von einer speziellen Art von Material auf der Oberfläche des Kometenkerns stammen könnten, das bei einer ziemlich niedrigen Temperatur sublimiert und Eisen und Nickel in etwa den gleichen Anteilen freisetzt“, erklärt Damien Hutsemékers, ebenfalls Mitglied des belgischen Teams von der Universität Lüttich.

Obwohl das Team noch nicht sicher ist, um welches Material es sich handeln könnte, werden technische Fortschritte in der astronomischen Forschung – wie der Mid-infrared ELT Imager and Spectrograph (METIS) am zukünftigen Extremely Large Telescope (ELT) der ESO – es den Forschern ermöglichen, die Quelle der Eisen- und Nickelatome zu identifizieren, die in den Atmosphären dieser Kometen gefunden wurden. Das belgische Team hofft, dass ihre Studie den Weg für zukünftige Forschungen ebnen wird. „Jetzt werden die Leute nach diesen Linien in ihren Archivdaten von anderen Teleskopen suchen“, sagt Jehin. „Wir denken, dass dies auch neue Arbeiten zu diesem Thema anstoßen wird.“

Eine weitere bemerkenswerte Studie zeigt, dass Schwermetalle auch in der Atmosphäre des interstellaren Kometen 2I/Borisov vorhanden sind. Ein Team in Polen beobachtete diesen ersten außerirdischen Kometen, der unser Sonnensystem besuchte, mit dem Spektrographen X-shooter am VLT der ESO, als der Komet vor etwa eineinhalb Jahren vorbeiflog. Sie fanden heraus, dass die kalte Atmosphäre von 2I/Borisov gasförmiges Nickel enthält.

„Zunächst fiel es uns schwer zu glauben, dass in 2I/Borisov so weit von der Sonne entfernt wirklich atomares Nickel vorhanden sein könnte. Es bedurfte zahlreicher Tests und Über­prüfungen, bis wir uns schließlich überzeugen konnten“, sagt Piotr Guzik von der Jagiellonen-Universität in Polen. Der Befund ist überraschend, denn vor den beiden neuen Studien waren Gase mit Schwermetallatomen nur in heißen Umgebungen beobachtet worden, etwa in den Atmosphären ultraheißer Exoplaneten oder verdampfender Kometen, die zu nahe an der Sonne vorbeizogen. 2I/Borisov wurde beobachtet, als er etwa 300 Millionen Kilometer von der Sonne entfernt war, was etwa dem doppelten Abstand zwischen Erde und Sonne entspricht.

Interstellare Körper im Detail zu studieren ist für die Wissenschaft von grundlegender Bedeutung, da sie unschätzbare Informationen über die fremden Planeten­systeme, aus denen sie stammen, enthalten. „Wir erkannten plötzlich, dass gasförmiges Nickel in Kometenatmosphären auch in anderen Regionen der Galaxie vorkommt“, sagt Co-Autor Michał Drahus, ebenfalls von der Jagiellonen-Universität.

Die polnischen und belgischen Studien zeigen, dass 2I/Borisov und Kometen des Sonnen­systems noch mehr gemeinsam haben, als bisher angenommen. „Jetzt stellen Sie sich vor, dass die Kometen unseres Sonnensystems echte Verwandte in anderen Planeten­systemen haben – wie cool ist das denn?“, schließt Drahus.

MPIA / DE
 

Weitere Infos

• Originalveröffentlichungen
  J. Manfroid et al.: Iron and nickel atoms in cometary atmospheres even far from the Sun, Nature 593, 372 (2021); DOI: 10.1038/s41586-021-03435-0
  P. Guzik & M. Drahus: Gaseous atomic nickel in the coma of interstellar comet 2I/Borisov, Nature 593, 375 (2021); DOI: 10.1038/s41586-021-03485-4
• Very Large Telescope, Europäische Südsternwarte