Das kosmische Ereignis, das die Klimageschichte der Erde neu schrieb

Neue astrophysikalische Forschungen heben ein bedeutendes kosmisches Ereignis vor zwei Millionen Jahren hervor, als das Sonnensystem durch eine dichte interstellare Wolke zog. Dies veränderte möglicherweise das Klima der Erde, da es verstärkter kosmischer Strahlung ausgesetzt war. Dies wird durch erhöhte Isotopenwerte in geologischen Aufzeichnungen untermauert.

Vor etwa zwei Millionen Jahren sah die Erde noch ganz anders aus. Unsere frühen menschlichen Vorfahren lebten neben Säbelzahntigern, Mastodonten und riesigen Nagetieren. Und je nachdem, wo sie lebten, war ihnen vielleicht kalt: Die Erde war tiefgefroren, und bis vor etwa 12.000 Jahren gab es mehrere Eiszeiten. Wissenschaftler vermuten, dass Eiszeiten aus verschiedenen Gründen auftreten, unter anderem aufgrund der Neigung und Rotation des Planeten, der Verschiebung der Plattentektonik, Vulkanausbrüchen und dem Kohlendioxidgehalt in der Atmosphäre.

Was aber, wenn drastische Veränderungen wie diese nicht nur eine Folge der Umweltbedingungen auf der Erde sind, sondern auch der Position der Sonne in unserer Galaxie?

Auswirkungen der galaktischen Reise der Sonne

In einem heute (10. Juni) veröffentlichten neuen Artikel in Naturastronomie, Die Hauptautorin und Astrophysikerin Merav Opher – Astronomieprofessorin an der Boston University und Fellow am Harvard Radcliffe Institute – fand Beweise dafür, dass das Sonnensystem vor etwa zwei Millionen Jahren auf eine interstellare Wolke traf, die so dicht war, dass sie den Sonnenwind der Sonne gestört haben könnte. Opher und ihre Co-Autoren glauben, dass dies zeigt, dass die Position der Sonne im Weltraum die Geschichte der Erde stärker prägen könnte als bisher angenommen.

Die Rolle der Heliosphäre beim Schutz der Erde

Unser gesamtes Sonnensystem ist von einer schützenden Plasma Schild, der von der Sonne ausgeht, bekannt als Heliosphäre. Es besteht aus einem konstanten Fluss geladener Teilchen, genannt Sonnenwind, der sich weit über Plutodie die Planeten in eine „riesige Blase“ einhüllt, wie die NASA sie nennt. Sie schützt uns vor Strahlung und galaktischen Strahlen, die DNAund Wissenschaftler glauben, dass dies einer der Gründe ist, warum sich das Leben auf der Erde auf diese Weise entwickelt hat.

Der neuesten Studie zufolge komprimierte die kalte Wolke die Heliosphäre derart, dass sich die Erde und die anderen Planeten des Sonnensystems kurzzeitig außerhalb ihres Einflussbereichs befanden.

Die Auswirkungen der galaktischen Begegnung auf die Erde

„Diese Arbeit ist die erste, die quantitativ zeigt, dass es eine Begegnung zwischen der Sonne und etwas außerhalb des Sonnensystems gab, die das Klima der Erde beeinflusst hätte“, sagt Opher, der ein Experte für die Heliosphäre ist.

Ihre Modelle haben buchstäblich unser wissenschaftliches Verständnis der Heliosphäre geprägt und wie die Blase durch den Sonnenwind strukturiert wird, der gegen das interstellare Medium drückt – also den Raum zwischen den Sternen und jenseits der Heliosphäre in unserer Galaxie. Ihre Theorie besagt, dass die Heliosphäre die Form eines luftigen Croissants hat, eine Idee, die die Weltraumphysiker-Gemeinschaft erschütterte. Jetzt wirft sie neues Licht auf die Frage, wie die Heliosphäre und die Bewegung der Sonne durch den Weltraum die atmosphärische Chemie der Erde beeinflussen könnten.

„Sterne bewegen sich, und diese Studie zeigt nun nicht nur, dass sie sich bewegen, sondern dass sie dabei auch drastischen Veränderungen ausgesetzt sind“, sagt Opher. Sie entdeckte diese Studie erstmals während eines einjährigen Stipendiums am Harvard Radcliffe Institute und begann, daran zu arbeiten.

Simulation liefert Einblicke in kosmische Wechselwirkungen

Um dieses Phänomen zu untersuchen, blickten Opher und ihre Mitarbeiter im Wesentlichen in die Vergangenheit. Sie verwendeten hochentwickelte Computermodelle, um zu visualisieren, wo sich die Sonne vor zwei Millionen Jahren befand – und mit ihr die Heliosphäre und der Rest des Sonnensystems.

Sie kartierten auch den Weg des Systems des Lokalen Bandes kalter Wolken, einer Kette großer, dichter, sehr kalter Wolken, die hauptsächlich aus Wasserstoffatomen bestehen. Ihre Simulationen zeigten, dass eine der Wolken am Ende dieses Bandes, genannt Lokaler Luchs kalter Wolken, mit der Heliosphäre kollidiert sein könnte.

Geologische und kosmische Beweise

Wäre das passiert, sagt Opher, wäre die Erde dem interstellaren Medium vollständig ausgesetzt gewesen, wo sich Gas und Staub mit den übrig gebliebenen Atomelementen explodierter Sterne, darunter Eisen und Plutonium, vermischen. Normalerweise filtert die Heliosphäre die meisten dieser radioaktiven Partikel heraus. Aber ohne Schutz können sie die Erde leicht erreichen.

Laut dem Papier steht dies im Einklang mit geologischen Belegen, die erhöhte Konzentrationen von 60Fe- (Eisen 60) und 244Pu-Isotopen (Plutonium 244) im Ozean, auf dem Mond, in antarktischem Schnee und in Eisbohrkernen aus demselben Zeitraum zeigen. Der Zeitpunkt stimmt auch mit Temperaturaufzeichnungen überein, die auf eine Abkühlungsperiode hinweisen.

Langfristige galaktische Einflüsse

„Nur selten beeinflusst unsere kosmische Nachbarschaft außerhalb des Sonnensystems das Leben auf der Erde“, sagt Avi Loeb, Direktor des Instituts für Theorie und Informatik der Harvard University und Koautor der Studie. „Es ist spannend zu entdecken, dass unser Flug durch dichte Wolken vor ein paar Millionen Jahren die Erde einem viel größeren Strom kosmischer Strahlung und Wasserstoffatomen ausgesetzt haben könnte. Unsere Ergebnisse öffnen ein neues Fenster in die Beziehung zwischen der Evolution des Lebens auf der Erde und unserer kosmischen Nachbarschaft.“

Der äußere Druck der lokalen kalten Wolke hätte die Heliosphäre je nach Größe der Wolke mehrere hundert bis eine Million Jahre lang dauerhaft blockieren können, sagt Opher. „Aber sobald die Erde sich von der kalten Wolke entfernt hatte, verschlang die Heliosphäre alle Planeten, einschließlich der Erde“, sagt sie. Und so ist es heute noch.

Zukünftige Forschung und Implikationen

Es ist unmöglich, die genauen Auswirkungen der kalten Wolken auf die Erde zu kennen – etwa, ob sie eine Eiszeit ausgelöst haben könnten. Aber es gibt ein paar andere kalte Wolken im interstellaren Medium, denen die Sonne in den Milliarden Jahren seit ihrer Entstehung wahrscheinlich begegnet ist, sagt Opher. Und in etwa einer Million Jahren wird sie wahrscheinlich auf weitere stoßen.

Opher und ihre Mitarbeiter arbeiten derzeit daran, herauszufinden, wo sich die Sonne vor sieben Millionen Jahren und sogar noch weiter zurück befand. Die genaue Position der Sonne vor Millionen von Jahren sowie des kalten Wolkensystems lässt sich mit den Daten der Gaia-Mission der Europäischen Weltraumorganisation bestimmen. Diese erstellt die größte dreidimensionale Karte der Galaxie und bietet beispiellose Einblicke in die Geschwindigkeit der Bewegung der Sterne.

Erforschung der vergangenen Flugbahn der Sonne

„Diese Wolke war tatsächlich in unserer Vergangenheit, und wenn wir etwas so Massives kreuzten, waren wir dem interstellaren Medium ausgesetzt“, sagt Opher. Die Wirkung der Kreuzungsbahnen mit so viel Wasserstoff und radioaktivem Material ist unklar, daher haben Opher und ihr Team an der BU NASADas von SHIELD (Solarwind with Hydrogen Ion Exchange and Large-scale Dynamics) finanzierte DRIVE Science Center untersucht nun, welche Auswirkungen es auf die Strahlung der Erde sowie auf die Atmosphäre und das Klima gehabt haben könnte.

„Das ist erst der Anfang“, sagt Opher. Sie hofft, dass diese Arbeit die Tür zu einer viel umfassenderen Erforschung der Art und Weise öffnet, wie das Sonnensystem in der Vergangenheit von äußeren Kräften beeinflusst wurde und wie diese Kräfte wiederum das Leben auf unserem Planeten geprägt haben.

Referenz: „Eine mögliche direkte Exposition der Erde gegenüber dem kalten, dichten interstellaren Medium vor 2–3 Millionen Jahren“ 10. Juni 2024, Naturastronomie.
DOI: 10.1038/s41550-024-02279-8

Diese Forschung wurde von der NASA unterstützt.