Die Geheimnisse des kosmischen Staubes
Forschende der ETH Zürich und des Nationalen Forschungsschwerpunkts (NFS) PlanetS haben die Eigenschaften von kosmischem Staub anhand von Laborexperimenten und Messdaten von Weltraummissionen genau analysiert. Ihre Ergebnisse zeigen fundamentale Lücken im Wissen über dieses Material auf, das für unser Verständnis von Galaxien und Planetensystemen zentral ist.
Interstellarer Staub im Carina-Nebel. Bild: NASA, ESA, the Hubble Heritage Team (STScI/AURA), A. Nota (ESA/STScI), and the Westerlund 2 Science Team
Bevor die Erde und die Sonne existierten, waren ihre Bestandteile Teil einer riesigen Wolke aus Gas und Staub – einer sogenannten interstellaren molekularen Wolke. Diese kollabierte irgendwann unter ihrer eigenen Schwerkraft und setzte so den Prozess in Gang, aus dem das Sonnensystem hervorging. Während die Astronomie bei der Lüftung der Geheimnisse der Planeten und Sterne in unserem System und vieler anderer Systeme weit vorangekommen ist, ist erstaunlich wenig über den kosmischen Staub bekannt, aus dem sie alle entstanden sind. Durch die Kombination von In-situ-Messungen im Weltall und Laborexperimenten konnte ein Team von Forschenden, unter Führung der ETH Zürich und des Nationalen Forschungsschwerpunkts (NCCR) PlanetS diesen kosmischen Baustoff aus der diffusen interstellaren Wolke in unserer kosmischen Nachbarschaft analysieren und mehr darüber erfahren. Ihre Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Planetary and Space Science veröffentlicht.
Eine unerklärte Diskrepanz
Veerle Sterken ist leitende Forscherin an der ETH Zürich und Mitglied des NCCR PlanetS. Bild: zVg
“Wenn wir Staubforschende uns auf einen Drink treffen, sagen wir nicht ‘Prost!’, bevor wir den ersten Schluck nehmen, sondern zitieren die letzte Strophe eines Satzes, den man eher an einer Trauerfeier erwarten würde: ‘Staub zu Staub'”, sagt Studieninitiatorin und Forschungsleiterin Veerle Sterken. “Wir tun dies, um uns daran zu erinnern, was wir wirklich sind”, so die ETH-Forscherin und NFS PlanetS Mitglied. Doch trotz der Allgegenwärtigkeit des kosmischen Staubes, haben selbst Expertinnen und Experten auf dem Gebiet viele offene Fragen. Eine davon betrifft eine ungeklärte Diskrepanz zwischen theoretischen Modellen des kosmischen Staubs und Daten aus direkten Messungen mit Weltrauminstrumenten.
Bis 1993 wurde kosmischer Staub aus der Ferne untersucht – hauptsächlich durch Beobachtungen mit Teleskopen. Auf dieser Basis entwickelten Forschende Modelle der Grössenverteilung und Zusammensetzung der Partikel. Mit der Ulysses-Mission wurden dann die ersten direkten In-situ-Messdaten von kosmischem Staub verfügbar. “Die von Ulysses erfassten Daten wiesen unter anderem darauf hin, dass es offenbar grössere Staubteilchen gibt, als wir zuvor für möglich hielten”, so Sterken. Bis heute ist unklar, wieso die Modelle dies nicht korrekt abbilden.
Ein künstlerisches Konzept des gemeinsamen ESA-NASA-Raumschiffs Ulysses. Bild: ESA
“Es könnten Fehler im theoretischen Verständnis des kosmischen Staubs selbst sein, oder Irrtümer was die Messtechnik betrifft”, sagt der Hauptautor der Studie, Silvan Hunziker, ETH-Forscher und assoziiertes Mitglied des NFS PlanetS. Gemessen wird die Grösse der Partikel mittels der sogenannten Aufprallionisation. Wenn kosmischer Staub auf der Oberfläche des Messgerätes – dem sogenannten Cosmic Dust Analyzer – aufprallt, verdampfen Fragmente der Staubpartikel und ionisieren. Dadurch werden elektrische Ladungen freigesetzt. Zusammen mit der ermittelten Aufprallgeschwindigkeit erlaubt die Messung dieser Ladungen den Forschenden Rückschlüsse auf die Masse des ursprünglichen Teilchens.
Der Cosmic Dust Analyzer im Laboraufbau. Bild: Veerle Sterken
In dieser Schlussfolgerung, so vermutetet das Team, liegt eine mögliche Fehlerquelle. “Die Aufprallionisationstheorie besagt, dass poröse Partikel beim Aufprall mehr Ladung abgeben als kompaktere Partikel mit der gleichen Gesamtmasse. Und Untersuchungen zu Proben von kosmischem Staub, die etwa von der Stardust-Mission auf die Erde geliefert wurden, zeigen, dass durchaus interstellare Staubteilchen von sehr geringer Dichte existieren”, so Hunziker. Die Diskrepanz zwischen Theorie und Messungen könnte, so die Vermutung der Forschenden, also womöglich durch die innere Struktur der Partikel erklärt werden: die angeblich grossen, von Ulysses gemessenen Partikel könnten schlicht besonders Poröse gewesen sein.
Schematische Darstellung der Messung der Aufprallionisation von (Staub-)Partikeln. Bild: Silvan Hunziker
Überraschende Ergebnisse
Um ihre Hypothese zu überprüfen, führte das Team Labortests durch. Mit speziellen Apparaturen beschleunigten sie Staubpartikel verschiedener Grösse und Dichte auf einen Detektor. Ähnlich wie jener der Ulysses-Raumsonde konnte dieser sogenannte Cosmic Dust Analyzer so die Aufprallionisierung messen. Die Ergebnisse, so die Idee, würden dann offenbaren, ob porösere Partikel tatsächlich vergleichsweise mehr Ladung freisetzen.
Versuchsaufbau im Labor. Bild: Veerle Sterken
Ihre Versuche führte das Team nicht mit echtem kosmischer Staub durch, sondern mit einer Reihe von Analoga. Dabei handelte es sich um hohle, mit einer Polymerbeschichtung versehene Siliziumdioxidpartikel, kompakte, beschichtete Siliziumdioxidpartikel sowie Kohlenstoff-Aerogel-Partikel, die eine sehr geringe Dichte aufwiesen.
Synthetische Staubpartikel unter dem Mikroskop. Bild: Beatrice Frey
Doch was die Forschenden fanden, war nicht das, was sie erwartet hatten. “Die Ergebnisse zeigten, dass die porösen und hohlen Partikel nach einem Aufprall nicht mehr, sondern sogar weniger Ladung erzeugen als die kompakten Partikel mit ähnlicher Masse und Zusammensetzung. Das ist das Gegenteil von dem, was wir erwartet hatten und wir mussten unsere Hypothese daher verwerfen”, so Hunziker.
Ein Grundstein auf dem weiter aufgebaut werden kann
Silvan Hunziker ist Postdoktorand an der ETH Zürich und Mitglied des NFS PlanetS. Bild: zVg
Auch wenn das Team seine Hypothese nicht bestätigen konnte, ist das Ergebnis dennoch bedeutsam. “Ergebnisse wie dieses sind Teil des wissenschaftlichen Prozesses. Sie zeigen uns, dass es immer noch Dinge gibt, die wir noch nicht verstehen und die wir weiter untersuchen müssen», erläutert Hunziker. «Unsere Arbeit legt den Grundstein für ein besseres Verständnis des Aufprallionisierungsprozesses, für eine Verbesserung des Designs von Staubanaloga sowie für eine bessere Interpretation der In-situ-Messdaten – und zwar auch für andere Arten von Staub, wie etwa solchen aus Kometenströmen oder Eisfontänen auf dem Saturnmond Enceladus”, so der Forscher.
“Dass wir diesen Grundstein legen konnten, war nur dank einer fantastischen Zusammenarbeit zwischen verschiedenen Forschungsgruppen und Institutionen möglich”, betont Sterken. Sie führte das Studiendesign, die Experimente und die vorläufige Datenanalyse am Max-Planck-Institut für Kernphysik durch, während sie an der Universität Stuttgart und am International Space Science Institute in Bern beschäftigt war. Die Herstellung und Charakterisierung der Staubpartikel erfolgte in Zusammenarbeit mit der Universität Bern, und die Studie wurde später von Silvan Hunziker an der ETH Zürich fertiggestellt.
“Die Aufprallionisierung von Kosmischem Staub zu untersuchen ist schwierig. Dank unseren Fortschritten wissen wir nun aber, auf welche Bereiche wir uns konzentrieren müssen”, bilanziert Sterken. “Genau das möchten wir im Rahmen des Projekts Complex Dust des NFS PlanetS sowie einer Zusammenarbeit innerhalb der ETH Zürich zur Entwicklung neuer Staubanaloga für zukünftige Experimente tun”, so die Forscherin.
Angaben zur Publikation: Impact ionization dust detection with compact, hollow and fluffy dust analogs, S. Hunziker, G.Moragas-Klostermeyer, J.K.Hillier, L.A.Fielding, K.Hornung, J.R.Lovett, S.P.Armes, J.Fontanese, D.James, H.W.Hsu, I.Herrmann, N.Fechler, O.Poch, A.Pommerol, R.Srama, D.Malaspina, V.J.Sterken, Planetary and Space Science, 2022, https://doi.org/10.1016/j.pss.2022.105536
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