Kosmische Reiniger: Die Wissenschaftler durchsuchen die Dächer englischer Kathedralen nach Weltraumstaub | Wissenschaft

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Zwischen den Türmen werden Minimissionen gestartet – ein Zufluchtsort für Staubpartikel, die möglicherweise Hinweise auf den Kosmos und die frühe Erde enthalten

Sarah Wild

So, 17. März 2024, 16.00 Uhr MEZ

Auf dem Dach der Kathedrale von Canterbury suchen zwei Planetenforscher nach kosmischem Staub. Während die Brüstung aus rotem Backstein weit unten die Straßen, Gebäude und Bäume verbirgt, verdecken nur dünne Wolken den tiefblauen Himmel, der bis in den Weltraum reicht.

Das Dröhnen eines Staubsaugers durchbricht die Stille und die Forscherin Dr. Penny Wozniakiewicz, gekleidet in einen Schutzanzug und einen sperrigen Staubsaugerrucksack, fährt mit dem Rohr der Saugmaschine sorgfältig einer Dachrinne nach.

„Wir suchen nach winzigen mikroskopisch kleinen Kugeln“, erklärt ihr Kollege Dr. Matthias van Ginneken von der University of Kent, ebenfalls in Schutzkleidung gekleidet. „Im Moment sammeln wir Tausende und Abertausende Staubpartikel und wir hoffen, dass es eine winzige Zahl sein wird, die aus dem Weltraum kommt.“

Der größte Teil des außerirdischen Staubs, der jedes Jahr die Erde bombardiert, verdampft in der Atmosphäre – einige Modelle gehen davon aus, dass 15.000 Tonnen die Erdatmosphäre erreichen (das entspricht etwa 75 Blauwalen). Laut einer Schätzung aus der Antarktis fallen jedoch etwa 5.200 Tonnen Mikrometeoriten auf die Erde. Diese Partikel, die höchstwahrscheinlich von Kometen und Asteroiden stammen, sind winzig und haben einen Durchmesser zwischen 50 Mikrometer und zwei Millimeter.

„Man muss ein bisschen wie ein Detektiv sein“, sagt Van Ginneken. Die extreme Erwärmung beim Eintritt in die Atmosphäre verändert viele Mineralien und „man muss anhand der begrenzten Informationen, die man hat, die Natur des ursprünglichen Partikels herausfinden“.

Forscher greifen auf Mikrometeoriten zurück, um Hinweise auf die Chemie von Asteroiden und Meteoriten zu erhalten. Durch die Untersuchung chemischer Varianten, die als Isotope bekannt sind, können Wissenschaftler mehr über den Mutterkörper erfahren, aus dem der kosmische Staub stammt – und darüber, was mit ihm geschah, als er in die Erdatmosphäre gelangte.

Auch kosmischer Staub war in der Vergangenheit reichlicher vorhanden, da es in jungen Jahren der Erde viel mehr Kollisionen zwischen Objekten im Sonnensystem gab. Dieser Staub ist in Gesteinen eingeschlossen und kann darauf hinweisen, was in unserer planetaren Nachbarschaft im Laufe der Erdgeschichte passiert ist und wie er sich verändert hat.

Van Ginneken und Wozniakiewicz versuchen unter anderem zu verstehen, wie sich der Fluss von Mikrometeoriten verändert.

„Wenn Sie verstehen können, wie viele Staubpartikel über der Oberfläche ankommen, können Sie einige Schätzungen darüber anstellen, wie viel Material im Laufe der Zeit auf der Erde ankommt und daher möglicherweise welchen Beitrag Weltraumstaub zur Erde leistet.“ Chemie auf der Erde“, sagt Wozniakiewicz.

„Und das in zweierlei Hinsicht – zum Teil [the cosmic materials] überleben auf der Oberfläche und können an der Oberflächenchemie teilnehmen. Einige von ihnen verglühen in der Atmosphäre und können an der Chemie der Atmosphäre beteiligt sein.“

Mikrometeoriten können Elemente auf Land und Meer aussäen, die auf der Erdoberfläche nicht häufig vorkommen, sowie in die Atmosphäre – was das Verhalten dieser Systeme beeinflussen kann.

Wozniakiewicz und Van Ginneken suchen nach einer bestimmten Art von außerirdischem Staub: kosmischen Sphärolen. Diese winzigen Kügelchen sind im Vergleich zu anderem Staub aufgrund ihrer charakteristischen Form relativ leicht zu identifizieren, aber man braucht ein Mikroskop, um sicher zu sein, dass ein kosmisches Spherol nicht von der Erde stammt. Dies macht sie nützlich, um abzuschätzen, wie viel kosmischer Staub in einem bestimmten Zeitraum an einem bestimmten Ort gefallen ist.

Man hielt es für unmöglich, kosmischen Staub in der städtischen Umgebung zu sammeln – er war auf unberührte Orte wie die Antarktis oder in versteinerten Sedimenten beschränkt. Doch im Jahr 2009 begann der norwegische Jazzmusiker Jon Larsen, der zum Jäger des kosmischen Staubs wurde, Hunderte Kilogramm urbanen Staubs auf der Suche nach kosmischem Staub zu durchkämmen. Im Jahr 2017 veröffentlichten Larsen und Kollegen, darunter Van Ginneken, einen wegweisenden Artikel in der Zeitschrift GeologieDies zeigt, dass jeder mit einem Mikroskop und Geduld kosmische Sphären entdecken kann.

Es ist jedoch schwierig, Mikrometeoriten für wissenschaftliche Untersuchungen zu sammeln, selbst wenn sie kontinuierlich auf die Erdoberfläche fallen. Die Partikel sind leicht kontaminierbar, was ihre Verwendung in der Forschung beeinträchtigen könnte. (Aber das ist nicht der Grund, warum Van Ginneken und Wozniakiewicz wie weiß gekleidete Außerirdische aussehen – sie schützen sich vor der Vogelgrippe, die möglicherweise in den Kot- und Vogelknochen enthalten ist, die wir auf dem Dach sehen.)

Larsen „begann die ganze Ära der städtischen Mikrometeoriten“, sagt Van Ginneken. „Seitdem betreiben immer mehr Menschen dies als Hobby. Ein Teil dessen, was Penny und ich tun wollen, besteht darin, die Wissenschaft einzubringen.“

Kathedralendächer wie das von Canterbury eignen sich ideal für die Suche nach kosmischem Staub, da sie groß, unzugänglich und weitgehend unberührt sind. Wir treten durch eine normalerweise vergitterte Holztür an der Rückseite der Haupt-Dreifaltigkeitskapelle der Kathedrale ein, steigen Hunderte von eng gewundenen Stufen hinauf und dann durch eine weitere, speziell unverschlossene Tür, um eines der Dächer der Kathedrale zu erreichen. Dies war Van Ginnekens und Wozniakiewiczs letztes Dach des Tages – sie waren zu mehreren anderen Dächern der Kathedrale hinaufgestiegen. Sie haben auch Staub von der Kathedrale von Rochester angesammelt und hoffen, Salisbury und Winchester zu ihrer Liste hinzufügen zu können.

Van Ginneken möchte viele Dächer beproben, um die Vorurteile zu verstehen, die sich in städtische Mikrometeoritensammlungen einschleichen, beispielsweise die Wirkung von Regenwasser. Der Vorteil von Dächern sei, dass sie gut zugänglich seien, sagt er. Eine Reise in die Antarktis, wo viel Mikrometeoritenforschung betrieben wurde, „ist sehr teuer, erfordert viel Vorbereitung und es gibt eine Grenze für die Menge der Proben, die man mitbringen kann“. Außerdem ist die Forschung auf ein bestimmtes Klima und einen bestimmten Breitengrad beschränkt. Dächer erweitern die Möglichkeiten, zu untersuchen, wie diese winzigen Staubpartikel in verschiedenen Umgebungen interagieren.

Die Fülle an städtischen Mikrometeoriten eröffnet auch denjenigen, die nicht unbedingt Zugriff auf die Beute größerer Weltraummissionen haben, die Möglichkeit, sich mit der Planetenforschung zu befassen. Und das Interesse an den Reichtümern des Weltraums nimmt zu. So brachte die NASA-Mission OSIRIS-REx letztes Jahr Material vom mehr als 4,5 Milliarden Jahre alten Asteroiden Bennu zur Erde zurück.

„Diese Missionen sind großartig“, sagt Wozniakiewicz. „Sie gehen auf ein einzelnes Objekt ein und erzählen viel über dieses eine Objekt. Mikrometeoriten verraten Ihnen etwas über Tausende, Millionen von Objekten … Sie verraten Ihnen mehr über die Population von Asteroiden als Ganzes, eine Momentaufnahme all der verschiedenen Prozesse, all der verschiedenen Körper, die es da draußen gibt. Und dann können Sie diese Proben zusammen mit Meteoriten mit den Proben vergleichen, die von diesen Missionen mitgebracht werden.“

Kosmischer Staub könnte auch Hinweise auf unseren eigenen Planeten in der fernen Vergangenheit enthalten, sagt Dr. Martin Suttle, Dozent für Planetenwissenschaften an der Open University. Laut einem neuen Artikel von Suttle und Kollegen könnte es auch auf der frühen Erde eine gastfreundliche Umgebung geschaffen haben, die die spontane Entstehung von Leben ermöglichte Naturastronomie.

„Es kam mehr Staub auf die Erde, vielleicht tausendmal mehr Staub als heute“, sagt er. „Dieser Staub enthält viele Stoffe, die als Rohstoff für die frühe präbiotische Chemie attraktiv sind, etwa Eisenmetall, das sonst auf der Erdoberfläche nicht vorhanden wäre.“

Doch das Sammeln des kosmischen Staubs ist nur der Anfang des Forschungsprozesses und wohl der einfachere Teil – trotz aller Treppen in der Kathedrale. Die Staubbeutel werden nun sterilisiert, damit sie sicher verarbeitet werden können, und anschließend untersuchen die Wissenschaftler jedes Partikel unter einem sterilen Mikroskop.

„Wir werden Stunden und Stunden damit verbringen, nur Kugeln zu extrahieren und zu hoffen, dass es sich dabei um ein kosmisches Spherol handelt“, sagt Van Ginneken.