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Da es in diesem Blog in erster Linie um ‚handfeste‘ planetare Angelegenheiten aus dem doch etwas engen Blickwinkel eines Mineralogen geht, mal die Frage: von welchen Körpern des Sonnensystems haben wir eigentlich Proben?

Das meiste Material stammt natürlich von der Kugel zu unseren Füssen, der Erde. Auch wenn nicht alle Regionen direkt zugänglich sind (Tiefseeboden), so haben wir Proben von Kruste und auch dem Erdmantel. Und natürlich auch Hydro- Atmo- und Biosphäre, aber wie gesagt, ich bin Mineraloge, also enger Blickwinkel etc.

Noch besser, wir wissen in der Regel, von wo auf der Erde unsere Proben stammen; und falls wir mehr brauchen besteht (in der Regel) die Möglichkeit, in vertretbarem zeitlichen Rahmen mehr zu besorgen.

Nummer zwei ist wohl der Erdmond. Immerhin 6 bemannte Probennahmen (die Apollo-Missionen 1969-1972), dazu 3 unbemannte Sample-Return Luna Flüge der Sowjetunion 1970-1976. Insgesamt knapp eine Drittel Tonne and Mondgestein, mit bekanntem (lunographischen ?) Ursprungsort auf der Oberfläche. Dazu kommen dann die Mondmeteorite. Die Datenbank der Meteoritical Society zeigt momentan 173 Mondmeteorite an, mit bis zu 13.5 Kg Gewicht. Dummerweise wissen wir nur, dass die Dinger vom Mond stammen – vor allem dank der Kenntnisse aus den Mondflügen. Aber halt nicht genau, von wo auf der Mondoberfläche. Eine grobe Unterteilung in Proben von den hellen Hochländern und den dunklen Mare-Regionen ist aufgrund der Zusammensetzung vielleicht gerade noch möglich. Der Probennachschub ist auch problematisch – Hinfliegen ist teuer und auch unbemannt zeitlich aufwendig. Meteorite fallen statistisch verteilt vom Himmel. Die Wüsten und antarktischen Regionen, in denen sich über längere Zeiträume leicht identifizierbare Meteorite angesammelt haben, werden systematisch abgesucht. Deshalb wird die Zahl neuer Proben aus dieser Quelle wahrscheinlich auch nicht groß zunehmen.

Von den planetaren Körpern kommt wohl der Mars als nächstes. Hier fehlen bereits die direkt eingesammelten Proben – bisher hat es keiner versucht. Dafür haben wir Meteorite, die wir aufgrund der recht detaillierten Kenntnisse aus Marssonden diesem Planeten zuordnen konnten.
Die Datenbank der Meteoritical Society zeigt solide 127 Marsmeteorite an (weit mehr als Ich erwartet hätte …), mit dem größten Brocken bei strammen 18 Kg. Da das einzige, was zwischen einen Kosmochemiker und seiner Probe kommt, ein in der Regel sündhaft teures Messinstrument ist, wurden viele dieser Proben nach allen Regeln der analytischen Kunst durchanalysiert. Aber das alte Problem der Meteoritenproben gilt auch hier:
Wir wissen mal wieder nicht, wo der Felsklumpen herkommt. Es gibt Studien, die Fernerkundungsdaten von Marssonden (z.B. im Infrarot) mit Spektren der Marsmeteorite abgleichen. Aber trotz vielversprechender Ergebnisse können wir halt dann doch nicht mit Sicherheit die Ursprungsregion bestimmen. Und die ist gerade bei Proben von Planeten wichtig – um die richtigen Schlüsse aus der Zusammensetzung der Proben zu ziehen, sollte man schon wissen, wo genau die von der Oberfläche stammen.

Zum Beispiel – angenommen, man hat einen Meteoriten vom Mars, der Minerale enthält, die unter Einwirkung von Wasser gebildet wurden. Wenn man so eine Probe einer Region auf dem Mars exakt zuordnen könnte, die auf Aufnahmen der Oberfläche deutliche Anzeichen von Wasser zeigt – z.B. ein Flussbett – dann könnte man daraus mit größerer Sicherheit Schlussfolgerungen über die Evolution des Planeten ziehen. Man könnte die mineralogischen, chemischen und isotopischen Untersuchungen mit Fernerkundungsdaten (Spektroskopie, Radar etc.) von der Oberfläche verbinden, und so detaillierte Modelle über das Vorkommen von Wasser und dessen Auswirkungen erstellen.

Die Marsmeteorite stammen allerdings möglicherweise aus nur wenigen Kratern, was Ihre Aussagekraft für die Oberfläche des Planeten beeinflusst.

Was die weiteren Planeten des Sonnensystems betrifft, haben wir soweit keine bestätigten Proben. Venus und Merkur wären Kandidaten. Ein potentieller Meteorit von Merkur wird NWA7325 gehandelt, aber hier sind die Studien noch am Laufen (Work in Progress, wie der Wissenschaftler sagt). Das Problem bei Merkur ist, dass wir keine Daten von der Oberfläche haben, die einen direkten Vergleich erlauben würden.

Ach, das größte Gerät im Sonnensystem hätte ich fast vergessen – die Sonne. Und in der Tat, es gibt Proben von der Sonne, eingesammelt von der erfolgreich gescheiterten Genesis Sonde. Diese sammelte über 2 Jahre Partikel des Sonnenwindes ein, um sich dann bei der Rückkehr zu Erde in den Boden zu rammen. Aber es konnten dennoch wissenschaftliche Ergebnisse gewonnen werden.

Als nächstes kommen dann wohl die Asteroiden. Das sind die Überbleibsel der Planetenbildung vor etwa 4.5 Milliarden Jahre, die zwischen Mars und Jupiter die Sonne umkreisen. Hier wird es kompliziert. Eine Studie von 2002 deutet auf 100-150 mögliche Asteroiden hin, von denen Proben (in Form von Meteoriten) vorhanden sind. Die Probleme beginnen schon damit, Meteorite in verschiedene Gruppen einzuteilen. Und diese stammen nicht unbedingt von jeweils verschiedenen Körpern. Das wichtigste Hilfsmittel, um Meteorite zu klassifizieren ist die Sauerstoffisotopie. Silikate, die den Großteil der Zusammensetzung der Steinmeteorite (also gerade der Chondrite, aber auch vieler Achondrite) ausmachen, bestehen vor allem aus Sauerstoff. Misst man die Isotope (Atomkerne vom selben chemischen Element mit unterschiedlicher Masse) des Sauerstoffs in Meteoriten (siehe Massenspektroskopie), und trägt diese in ein Diagramm der drei wichtigen Sauerstoffisotope ein, so lassen sich viele Meteorite dort in Gruppen einordnen. Natürlich ist wieder alles viel komplizierter, natürlich spielt auch die Chemie, und Petrologie für die Feinheiten eine Rolle. Ach ja, es gibt zurzeit etwa 46000 verschiedene Meteorite…

Und dieses geordnete Chaos mit speziellen Asteroiden zu verkuddeln, ist noch schwieriger. Dazu benutzt man entweder Spektroskopie (die Analyse des reflektierten Lichts der Asteroiden). Oder man hat den Fall des Meteoriten beobachtet, und kann so Rückschlüsse auf die Umlaufbahn vor dem Einschlag ziehen. Letzteres ist leider nur selten der Fall. Und Spektroskopie hört sich einfacher an, als es ist. Während man einfach von Meteoriten im Labor charakteristische Vergleichsspektren messen kann, ist der Abgleich mit astronomischen Beobachtungen weniger eindeutig.

Momentan gibt es sagenwirmal vier Asteroide, die einigermaßen zuverlässig mit Meteoriten in unserer Sammlung aufgrund ihrer Zusammensetzung in Verbindung gebracht werden können. Halt – eigentlich nur ein Asteroid, der Rest sind Gruppen an Asteroiden mit ähnlichen spektroskopischen Eigenschaften.
C-Typ Asteroide sind möglicherweise Ursprung der kohligen CM Chondrite (mal wieder die Matschklumpen). S(IV) Asteroide sind ähnlich den gewöhnlichen Chondriten, womit die größte Meteoritengruppe zumindest abgehakt wäre.
Die eher seltenen Enstatit-Chondrite und Eisenmeteorite könnten mit M-Typ Asteroiden in Zusammenhang stehen.

Wie üblich, ist es etwas komplizierter, auch andere Meteoritengruppen/Asteroiden werden miteinander in Verbindung gebracht, aber da ist der Link oft noch schwächer.

Der wohl am besten dokumentierte Link ist die zwischen (4)Vesta und den HED-Meteoriten. HED sind Howardite, Eukrite und Diogenite. Hier ist dank der Raumsonde Dawn die schon seit den 70ern bestehende Verbindung wohl bestätigt worden. Ausnahmen bestätigen wohl die Regel.

Es gibt natürlich noch eine weitere direkte Verbindung. Die erfolgreich gescheiterte japanische Hayabusa-Sonde brachte irgendwie ein paar winzige Brösel des kleinen S-Typ Asteroiden Itokawa zurück.

Damit haben wir das innere Sonnensystem erschlagen. Was gibt es da sonst noch? Genau, die Kometen. Und in der Tat, auch von diesen haben wir Proben. Nicht viel (massenmäßig) aber dafür immerhin eine direkte Verbindung. Die Sonde Stardust brachte 2006 Unmengen winziger, nur wenige Mikrometer große Partikel des Schweifes von Komet Wild 2 zurück. Darüber hinaus gibt es Proben in Form der Interplanetaren Staubpartikel (IDPs). Wieder ist die Herkunft schwammig – die meisten werden zwar Kometen zugeschrieben, aber sie werden erst von Flugzeugen hoch in der Stratosphäre eingesammelt.

Und wir sind noch immer nicht am Ende. Es gibt nämlich noch Proben von Körpern außerhalb unseres Sonnensystems. Die präsolaren Körner entstammen roten Riesensonnen oder gar Supernovae, von denen sie ins All geblasen wurden. Die Körner sind extrem winzig, und müssen in der Regel aus kohligen Chondriten separiert werden. In diesen wurden die Partikel in den frühen Tagen des Sonnensystems wie in einem Sedimentgestein eingelagert. Der Separationsprozess wird zu Recht als ‚Die Scheune abfackeln um die Nadel zu finden‘ bezeichnet. Das Gestein wird mit fiesen Säuren aufgelöst, so dass nur die stabilsten Minerale wie z.B. Carbide, Diamant/Graphit übrig bleiben. Diese sind glücklicherweise in der Regel präsolare Körner, die man vor allem anhand ihrer Silizium-, Sauerstoff-, Kohlenstoff- und Stickstoff-Isotopenverhältnisse identifizieren kann. Mit Hilfe von Ionensonden kann man seit etwa zehn Jahren auch solche Körner direkt in größeren Proben analysieren, so dass jetzt auch präsolare Silikate gefunden wurden.

Bei den präsolaren Körner ist der genaue Ursprung natürlich wieder nicht bekannt, nur halt dass sie von Sonnen im Spätstadium stammen.

Das wäre es dann – soweit ich mal wieder nichts vergessen habe. Was klar identifizierte Proben angehet, haben ´wir also sicher Material von Erde, Mond, Mars, Asteroid Itokawa, Komet Wild 2, Sonne und wohl Vesta. Darüber hinaus kann man Material Gruppen von Körpern zuordnen. Unser Bild des Sonnensystems ist, was die Analyse von extraterrestrischem Material angeht, also noch etwas lückenhaft.
Da wird sich auch in Zukunft nur langsam etwas ändern, Sample Return Flüge werden eher rar gesät bleiben – wie z.B. die geplanten Flüge von Hayabusa 2 , OSIRIS Rex und vielleicht auch Marco Polo zu Typ C Asteroiden.
Das Bild bessert sich ein wenig, wenn wir Untersuchungen vor Ort, also mit Raumsonden, dazuzählen. Dazu später mehr.

Generell empfohlene Quellen zum Thema:
Papike (Editor) (1998) Planetary Materials, Mineralogical Society of America
McSween/Huss (2010) Cosmochemistry, Cambridge University Press
Lauretta/McSween (Editors) (2006) Meteorites and the Early Solar System II. Arizona University Press

8 Kommentare zu “Extraterrestrische Materialien: Inventur (1)

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