DRESDEN / LONDON (IT BOLTWISE) – Forschende haben in einer Tiefsee-Mangankruste Spuren von Plutonium-244 nachgewiesen und damit das letzte große r-Prozess-Ereignis nahe der Erde auf mindestens 100 Millionen Jahre datiert. Der Befund stützt ein Szenario, in dem seltene kosmische Katastrophen – etwa die Verschmelzung von Neutronensternen – die schwersten Elemente erzeugten. Gleichzeitig zeigt die Studie, wie leistungsfähige Beschleuniger- und Massenspektrometrie-Instrumente selbst winzige Isotopenmengen messbar machen. Für die Astrophysik und das Timing interstellarer Ablagerungen eröffnet das neue, überprüfbare Zeitmarker.
In der Tiefsee liegen geologische Archive, die nicht nur Meteoritenstaub und Sedimente konservieren, sondern auch messbare Fingerabdrücke längst vergangener kosmischer Ereignisse. Ein internationales Team um das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf hat in einer Ferromangankruste aus dem Pazifik seltene radioaktive Isotope gefunden und daraus ein Zeitfenster für die Entstehung schwerster Elemente abgeleitet. Der Kernbefund: Das letzte astrophysikalische Ereignis in der Nähe unseres Sonnensystems, das die betrachteten r-Prozess-nahen Nuklide erzeugt haben könnte, liegt mindestens 100 Millionen Jahre zurück. Damit rückt ein „Timing“ in greifbare Reichweite, das bislang vor allem indirekt aus Modellrechnungen erschlossen wurde.
Die technische Idee hinter solchen Messungen ist gleichzeitig simpel und extrem anspruchsvoll: Ferromangankrusten wachsen über Millionen von Jahren millimeterweise und nehmen dabei Stoffe aus ihrer Umgebung auf. Diese Ablagerungen dienen Forschenden als Archiv, weil sie selbst kleinste Mengen radioaktiver Isotope transportieren und über geologische Zeiträume hinweg relativ stabil speichern können. Entscheidend ist jedoch die Detektion im Spurenbereich. Die Studie kombiniert deshalb eine präzise Probenaufbereitung mit hochempfindlicher Beschleuniger-Massenspektrometrie, um Isotopenverhältnisse so weit zu bestimmen, dass aus Zerfall und Ablagerungsverlauf ein Datierungswerkzeug entsteht. Genau hier trennt sich wissenschaftlicher Anspruch von bloßer Beobachtung.
Im Zentrum steht Plutonium-244, das im sogenannten r-Prozess entsteht – einem Mechanismus, bei dem Atomkerne sehr schnell extrem viele Neutronen einfangen. Solche Bedingungen werden typischerweise mit Szenarien verbunden, in denen zwei Neutronensterne verschmelzen oder besonders energiereiche Supernovae auftreten. Diese Ereignisse sind im Vergleich zu „regulären“ Sternexplosionen deutlich seltener, was bereits eine astrophysikalische Vorannahme liefert. Das Team suchte in der Kruste gezielt nach mehreren Radionukliden, darunter Eisen-60, Plutonium-244 und Curium-247. Laut Dr. Dominik Koll wird Eisen-60 als Marker normaler Supernovae verstanden, weshalb der Abgleich von Eisen-60- und Plutonium-244-Verlauf die zeitliche Herkunft stark einschränkt.
Der Abgleich liefert dabei eine klare Gegenüberstellung: Eisen-60 zeigt im Verlauf Signaturen, die mit erdnahen Supernova-Explosionen im Bereich weniger Millionen Jahre vereinbar sind. Plutonium-244 dagegen verhält sich anders und erreicht die Erde über einen längeren Zeitraum hinweg kontinuierlich. Diese „Schleier“-Dynamik lässt sich nur schwer mit dem zeitnahen Treiber erklären, sondern spricht für einen älteren Ursprung, bei dem sich das Isotop im interstellaren Medium genügend weit verteilt hat. Zusätzlich nutzt das Team Curium-247 als Datierungsanker: Curium-247 entsteht ebenfalls im r-Prozess und besitzt mit etwa 15,6 Millionen Jahren eine deutlich kürzere Halbwertszeit als Plutonium-244. Das gemessene Verhältnis wird damit zum robusten Zeitwerkzeug, während das Ausbleiben einer nachweisbaren Curium-Signatur ein natürliches „Verfallsdatum“ für das letzte r-Prozess-Ereignis impliziert.
Dass diese Schlussfolgerungen überhaupt belastbar sind, liegt an der Detektionsstrategie: Die Forschenden mussten die Probe in viele kleine Schichten aufteilen, sodass jede Schicht nur wenige Plutonium-Atome enthielt. Anschaulich heißt das, dass ein einzelnes Plutoniumatom in einer Gesamtmenge von rund zehn Billionen anderer Atome „versteckt“ ist. Erst moderne Messaufbauten machen solche extremen Verdünnungen messbar. Michael Hotchkis von der VEGA-Anlage beschreibt die benötigte Sensitivität als weltweit einzigartig, und auch die Studie ordnet VEGA als aktuell zentrale Plattform ein. Vergleichbar konkurrierende Ansätze existieren zwar in anderen Laboren, doch in der Praxis entscheidet die konkrete Instrumentensensitivität – und damit die Frage, ob Spuren überhaupt statistisch sicher auswertbar sind. Für die Messkette sind daher auch Infrastrukturinvestitionen entscheidend, etwa der Ausbau mit der HAMSTER-Anlage am HZDR.
Neben der eigentlichen Isotopenmessung umfasst die Arbeit eine zweite, oft unterschätzte Säule: die Chronologie der Probe. Das Team vermaß die Ferromangankruste an der DREAMS-Anlage in Dresden auf Beryllium-10 und leitete daraus ein detailliertes Altersmodell ab. Damit lassen sich die einzelnen aufgefundenen Atome auf kosmischer Zeitskala verorten – ohne dieses „Wachstums- und Kalibrationsmodell“ würde der Zeithorizont aus Isotopenverhältnissen nur grob bleiben. Laut Prof. Anton Wallner deutet das Muster auf sehr seltene kosmische Explosionen wie Neutronensternverschmelzungen hin; als externe Bestätigung nennt die Studie die Beobachtung von zwei Ereignissen durch Gravitationswellen-Detektoren wie LIGO/Virgo/KAGRA, jedoch weit außerhalb der Milchstraße. Ergänzend wurden alternative Hypothesen wie eine mögliche Kollision des Sonnensystems mit einer dichten interstellaren Wolke ausgeschlossen.
Für die Zukunft ist der nächste Schritt weniger eine einzelne „Wunder-Messung“, sondern die Systematik: Bereits laufende Programme nutzen Mondmaterial, etwa Proben der NASA, um das Bild zu schärfen. Am HZDR soll HAMSTER zukünftig neben Plutonium- und Curium-Nukliden weitere seltene Radionuklide nachweisen, die zusätzliche, unabhängige Zeitmarker liefern könnten. Damit rückt das Feld weg von einzelnen Anomalien hin zu einem konsistenten, mehrskaligen Modell, in dem Nuklidinventare, Ablagerungsverläufe und Zerfallsdynamik zusammenpassen müssen. Für Unternehmen in der High-End-Instrumentierung und Datenanalyse bedeutet das zugleich eine klare Nachfrage nach messnaher KI-gestützter Auswertung, Sensor-Kalibrierung und skalierbarer Laborautomatisierung, weil die Datenvolumina und die statistischen Anforderungen mit jeder weiteren Nuklidfamilie steigen.
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