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Raumsonde : Die Spuren vergangener Kometen

Auf der Suche nach Xenon: die Raumsonde Rosetta Bild: ESA

Welche Rolle spielen Kometen für die Zusammensetzung der Erdatmosphäre? Und was hat das mit dem schwersten stabilen Edelgas zu tun? Die Weltraumsonde Rosetta lüftet das irdische Xenon-Rätsel.

          2 Min.

          Die Rosetta-Sonde der Esa hat die Isotopenhäufigkeiten des Elements Xenon in der Koma des Kometen 67P/Tschurjumow-Gerassimenko bestimmt und damit einen wichtigen Beitrag zum Verständnis der Rolle von Kometen für die Zusammensetzung der Erdatmosphäre geleistet. Xenon ist das schwerste stabile Edelgas. Es besitzt neun Isotope, also Varianten von Atomkernen mit gleicher Zahl an Protonen, aber mit unterschiedlicher Zahl an Neutronen. Die Protonenzahl bestimmt den Aufbau der Elektronenhülle und definiert damit das chemische Element.

          Sibylle Anderl
          Redakteurin im Feuilleton.

          Die Isotope des Xenons entstehen durch verschiedene Prozesse, die in Supernova-Explosionen oder alten Sternen stattfinden und in denen die Zusammensetzung der Atomkerne verändert wird. Die relative Häufigkeit der verschiedenen Isotope ist damit ein charakteristischer chemischer Fingerabdruck von Materie und ermöglicht Rückschlüsse auf deren kosmische Entstehungsgeschichte. Da Xenon ein überaus reaktionsträges Gas ist, ist dieser Fingerabdruck äußerst langlebig und damit in seiner Aussagekraft sehr zuverlässig. Seine Untersuchung wird daher dafür genutzt, die chemische Zusammensetzung des frühen Sonnensystems zu rekonstruieren.

          Irdisches Xenon ist im Sonnensystem einmalig

          Messungen der Isotopenhäufigkeiten von Xenon an verschiedenen Orten im Sonnensystem haben allerdings ein überraschendes Ergebnis hervorgebracht: Die Xenon-Zusammensetzung in der Erdatmosphäre scheint im Sonnensystem durchaus einmalig zu sein. Was zunächst auffällt, ist, dass hier die schweren Isotope im Vergleich zur Isotopenverteilung in chondrischen Meteoren und im Wind der Sonne relativ häufiger sind als die leichten. Dieses Phänomen kann allerdings recht einfach dadurch erklärt werden, dass die leichten Isotope eine höhere Wahrscheinlichkeit besitzen, mit der Zeit aus dem Gravitationsfeld der Erde zu entweichen. Die gemessene Isotopenhäufigkeit muss man um diesen Effekt bereinigen, um aus der heutigen Xenon-Zusammensetzung diejenige zu berechnen, die man für die junge Erde erwartet.

          Wenn man die so erhaltene irdische Ur-Zusammensetzung mit der Xenon-Zusammensetzung des Sonnenwindes vergleicht, ähneln sich diese in Bezug auf die leichten Isotope. Allerdings findet man einen deutlichen Mangel der beiden schwersten Isotopen auf der Erde – eine Beobachtung, deren Ursprung zunächst vollkommen unklar war. Sie scheint zumindest darauf zu verweisen, dass das irdische Xenon einen anderen Ursprung besitzt, als das Gas, aus dem die Sonne entstanden ist.

          Kometen als Xenon-Boten?

          Eine mögliche Erklärung wäre, dass Teile des Xenons durch Kometen auf die Erde gebracht wurden, die in den äußersten Bereichen des Sonnensystems aus anderem Material entstanden sind, als es im näheren Umfeld der Erde zu finden ist. Um dieser Hypothese nachzugehen, hat die Rosetta-Sonde mit Hilfe des Rosina-Instruments während der letzten beiden Maiwochen des vergangenen Jahres in einer Serie von oberflächennahen Orbits nach Xenon in der dünnen Atmosphäre des Kometen 67P/Tschurjumov-Gerassimenko gesucht. Die Ergebnisse wurden nun von einer internationalen Gruppe um Bernard Marty im Journal „Science“ veröffentlicht.

          Sieben Isotope wurden von Rosetta nachgewiesen, unter denen die schweren eine sehr viel geringere Häufigkeit aufwiesen als die leichteren – und die damit tatsächlich eine deutlich andere Verteilung zeigten als diejenige, die im inneren Sonnensystem aufzufinden ist. „Das ist ein aufregendes Ergebnis, denn es ist die erste Entdeckung eines Kandidaten für das irdische Ur-Xenon“, so Bernard.

          Bernard Marty und seine Kollegen zeigen darüber hinaus, dass die Zusammensetzung der Erdatmosphäre rekonstruiert werden kann, wenn 22 Prozent des irdischen Xenons von Kometen stammt, während der Rest durch Asteroiden auf die Erde gebracht wurde. Dieses Ergebnis bedeutet aber gleichzeitig, dass das Material, aus dem unser Sonnensystem entstanden ist, chemisch nicht einheitlich war: Das Material in den Außenbereichen, wo sich Kometen bildeten, scheint sich von dem Material im Zentrum, aus dem unsere Planeten hervorgegangen sind, zu unterscheiden. Auf die chemische Zusammensetzung der irdischen Ozeane hatte der Beitrag der Kometen im Übrigen, anders als auf die geringen Spuren von Xenon in der Atmosphäre, aufgrund der größeren auf der Erde zu findenden Wassermenge einen zu vernachlässigenden Einfluss.

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