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Weltraumstaub: Saturnsonde Cassini findet Materie aus dem interstellaren Raum

Mit ihrem Staubdetektor hat die Saturnsonde Cassini innerhalb von zehn Jahren 36 Staubpartikel, die aus dem interstellaren Raum stammen, aufgefangen und analysiert. Die Partikel bestehen hauptsächlich aus Magnesium, Kalzium, Eisen, Silizium und Sauerstoff und unterscheiden sich deutlich von dem Staub, der sonst das Saturnsystem dominiert.
Künstlerische Darstellung von Cassini neben SaturnLaden...

Seit Mitte 2004 umrundet die US-Raumsonde Cassini den Ringplaneten Saturn und erkundet sein komplexes System aus Ringen und Monden – unter anderem auch mit einem Staubdetektor. Nun stellte eine Forschergruppe um Nicolas Altobelli von der Europäischen Weltraumagentur ESA Messergebnisse vor, die zeigen: Cassini konnte auch Partikel von außerhalb des Sonnensystems auffangen und analysieren. Auch deutsche Forscher waren in großer Zahl an der Arbeit beteiligt. Insgesamt 36 Partikel wurden im Zeitraum von 2004 bis 2013 registriert. Ihre Zusammensetzungen zeigen, dass sie aus dem interstellaren Raum stammen. Sie trafen in Abständen von 9 bis 60 Saturnradien zum Ringplaneten auf den Cosmic Dust Detector an Bord von Cassini, wo sie ein Massenspektrometer analysierte.

Das interstellare Staubteilchen Laden...
Das interstellare Staubteilchen Orion | Es hat die Masse von drei trillionstel Gramm: Das interstellare Staubteilchen Orion, eingefangen von der Raumsonde Stardust, nach ihrem Vorbeiflug am Kometen Wild 2. Im linken Teilbild sind verschiedene Elemente durch unterschiedliche Färbung dargestellt, im rechten Teilbild unterschiedliche Minerale: Rot steht für Spinell, grün für Olivin, blau für eine noch nicht identifizierte Phase. Im mittleren Teilbild ist ein Röntgendiffraktogramm zu sehen, es gibt Auskunft über die Kristallstrukturen einzelner Minerale.

Aus den Analysen ergibt sich, dass wichtige gesteinsbildende Elemente wie Magnesium, Silizium, Eisen und Kalzium in den für unsere Region des Weltalls typischen Konzentrationen auftreten, wobei es zwischen den einzelnen Körnern kaum Unterschiede gibt. In allen Körnern waren die Gehalte an Schwefel und Kohlenstoff geringer als im kosmischen Durchschnitt. Damit ähneln diese Partikel den bereits von der Sonnensonde Ulysses in den 1990er Jahren aufgefangenen. Die beiden Staubpartikel wiederum, welche die US-Raumsonde Stardust im interplanetaren Raum einfing und zurück zur Erde transportierte, zeigen dagegen Unterschiede im Gehalt an Silizium verglichen mit den Gehalten von Magnesium und Eisen. Zudem wurden in manchen urtümlichen Meteoriten, die seit ihrer Entstehung vor mehr als 4,5 Milliarden Jahren keinen höheren Temperaturen ausgesetzt waren, interstellare Staubteilchen in geringen Konzentrationen konserviert. Diese haben chemische Zusammensetzungen, die deutlich von derjenigen des Meteoritengesteins abweichen.

Der Staubdetektor CDA an Bord der Saturnsonde Cassini (Detailfoto)Laden...
Der Staubdetektor an Bord der Saturnsonde Cassini | Mit dem Cosmic Dust Detector kann die Raumsonde Cassini feine Staubpartikel auffangen und ihre chemische Zusammensetzung mit einem Massenspektrometer analysieren.

Schon die Messungen mit Ulysses hatten ergeben, dass interstellarer Staub in einem stark gerichteten Partikelstrom in unser Sonnensystem bevorzugt in der Nähe zur Ekliptik eintritt. Die Ekliptik ist eine Ebene, in der die Sonne und mehr oder weniger alle Planeten liegen. Gelegentlich ist das Saturnsystem so zu diesem Strom ausgerichtet, dass auch Cassini interstellare Staubpartikel auffangen kann. Sonst dominieren im Umfeld von Saturn Milliarden von feinen Partikeln aus Wassereis die Messungen. Dies gilt insbesondere für den Bereich des breiten E-Rings, der durch die vulkanische Aktivität der Wasserdampf-Geysire auf dem Saturnmond Enceladus erzeugt wird.

Die Analysen der 36 interstellaren Staubpartikel liefern beim Vergleich der Elementgehalte untereinander Hinweise auf thermische Prozesse, die dafür sorgten, dass der aus dem interstellaren Medium stammende Staub nicht mit jenen Staubpartikeln identisch ist, die in den zirkumstellaren Scheiben im Umfeld von jungen Sternen beobachtet werden. Die Forscher um Altobelli gehen davon aus, dass die von Cassini analysierten Partikel im interstellaren Medium aufgeheizt wurden, bis sie verdampften und später erneut kondensierten. Dafür können unter anderem Stoßwellen im interstellaren Raum verantwortlich sein, die bei Supernova-Explosionen freigesetzt werden. Diese Aufheizungsvorgänge führten somit zu der nun nachgewiesenen chemischen Homogenisierung.

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