Radionuklide in Tiefseeproben deuten auf uraltes kosmisches Ereignis hin

Ein internationales Forschungsteam unter Leitung des HZDR wies seltene radioaktive Isotope in einer Tiefsee-Mangankruste nach. Die Daten liefern neue Erkenntnisse zur Nukleosynthese der schwersten Elemente im Universum. Das letzte astrophysikalische Ereignis in Sonnensystemnähe liegt demnach mindestens 100 Millionen Jahre zurück.
Ferromangankrusten dienen als einzigartige geologische Archive in Meerestiefen von hunderten bis tausenden Metern. Sie wachsen millimeterweise über Millionen von Jahren und akkumulieren extraterrestrische Radionuklide. Forschende nutzen diese Isotope als Marker vergangener kosmischer Ereignisse.

Suche nach r-Prozess-Nukliden in pazifischen Proben

Die Forschenden fahndeten in einer pazifischen Kruste gezielt nach dem seltenen Isotop Plutonium-244 (244Pu). Dieses Nuklid entsteht ausschließlich im astrophysikalischen r-Prozess durch schnellen Neutroneneinfang. Solche Bedingungen existieren vermutlich bei Neutronenstern-Verschmelzungen oder energiereichen Supernovae.
Das Team analysierte die Isotopenspuren von Eisen-60, Plutonium-244 und Curium-247.

„Eisen-60 ist ein klarer Fingerabdruck von regulären Supernovae. Daher haben wir sowohl nach Eisen-60 als auch nach Plutonium-244 gesucht und deren Spuren verglichen“, erklärt Dr. Dominik Koll vom HZDR. Der Signalverlauf zeigt: Das Plutonium stammt nicht aus erdnahen Supernovae der letzten Jahrmillionen. Ursprung ist ein selteneres kosmisches Ereignis vor über 100 Millionen Jahren.

Datierung mittels komplementärer Isotopen-Verhältnisse

Während ⁶⁰Fe zwei Maxima erdnaher Supernovae abbildet, zeigt ²⁴⁴Pu einen kontinuierlichen Verlauf. Das Isotop verteilte sich über Jahrmillionen gleichmäßig als Schleier im interstellaren Medium.
Der Beweis dieser Hypothese gelang durch den Vergleich der Plutonium-Signatur mit Curium-247. Beide Isotope entstehen im r-Prozess. Mit einer Halbwertszeit von 15,6 Millionen Jahren zerfällt ²⁴⁷Cm jedoch schneller als ²⁴⁴Pu (80 Millionen Jahre). Das Isotopenverhältnis dient daher als präzises Datierungswerkzeug.
Trotz höchster Messempfindlichkeit detektierten die Astrophysiker kein kosmisches Curium in der Kruste. Das letzte r-Prozess-Ereignis in unserer kosmischen Nachbarschaft fand somit vor über 100 Millionen Jahren statt.

Ultraspurenanalytik an der Nachweisgrenze

Für den Nachweis unterteilten die Forschenden die Probe in feinste Schichten. Diese enthielten jeweils nur wenige Plutonium-Atome. Ein ²⁴⁴Pu-Atom verbirgt sich statistisch in rund zehn Trilliarden Matrixatomen. Für ²⁴⁷Cm war dies die weltweit erste signifikante Messung. „Wir brauchen nur 100 Plutonium-Atome in der Endprobe, um eines davon im Detektor einzufangen. Diese Sensitivität ist weltweit einzigartig“, sagt Michael Hotchkis.

Die VEGA-Anlage detektierte diese transienten kosmischen Spuren exklusiv. Zukünftig soll die HAMSTER-Anlage am HZDR analoge Messungen ermöglichen. Die ⁶⁰Fe-Analytik erfolgte an der Heavy Ion Accelerator Facility in Canberra.

Strukturaufklärung und Altersmodellierung der Matrix

Parallel ermittelte das Team via Beryllium-10 (¹⁰Be) an der DREAMS-Anlage des HZDR ein detailliertes Altersmodell. Die Wachstumsraten der gut untersuchten Kruste wurden dafür präzise charakterisiert. Röntgenscans, 3D-Bildgebung und Testdatierungen von Mikrobohrkernen validierten das Modell über einen Zeitraum von 10 Millionen Jahren.

„Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Plutonium aus sehr seltenen kosmischen Explosionen stammt, wie sie etwa beim Verschmelzen zweier Neutronensterne oder sehr energiereichen Supernovae auftreten würden. Seitdem hat es sich im interstellaren Medium verteilt“, sagt Prof. Anton Wallner.

Alternative Szenarien wie die Passage einer dichten interstellaren Wolke schloss das Team experimentell aus.
Künftige Messungen an NASA-Mondproben sollen den r-Prozess weiter aufschlüsseln. Die Dresdner HAMSTER-Anlage wird dafür zusätzliche seltene Radionuklide analysieren.

Quelle

Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (06/2026)