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Mondboden könnte Supernova-Spuren 80 Millionen Jahre archivieren
Der Mondboden könnte Spuren vergangener Sternexplosionen über deutlich längere Zeiträume bewahren als irdische Tiefseeablagerungen. Ein neues Modell beschreibt, wie Meteoriteneinschläge radioaktive Isotope im Regolith verlagern, reproduziert die Tiefenprofile von Eisen-60 in Apollo-Proben und zeigt, wo tiefe künftige Bohrkerne nach älteren Supernova- und Kilonova-Signalen suchen sollten.
Honolulu (U.S.A.). Der Mondboden bewahrt Spuren des Sonnenwinds, kosmischer Strahlung und von Material, das bei nahen Sternexplosionen ins Sonnensystem gelangte, doch fortwährende Einschläge graben den Regolith aus, verlagern ihn und begraben ihn wieder. Dieses sogenannte Impact Gardening verwischt die zeitliche Reihenfolge und erschwert es, radioaktive Isotope bestimmten kosmischen Ereignissen zuzuordnen.
Ein besonders wichtiger Zeitmarker ist Eisen-60, denn dieses kurzlebige Radioisotop wurde sowohl in Tiefseeablagerungen auf der Erde als auch in Apollo-Mondproben nachgewiesen. Für die Erde zeigen die Daten bekannte Eintragsphasen vor ungefähr 2,3 Millionen und 7,3 Millionen Jahren. Bisher war jedoch unklar, wie solche zeitlich begrenzten Signale durch die Einschlagsmischung in unterschiedliche Bodentiefen transportiert werden.
Forscher der University of Hawai‘i at Mānoa (UH Mānoa) um Emily S. Costello haben nun ein stochastisches, also zufallsbasiertes Transportmodell entwickelt, das die Durchmischung als Zusammenspiel gerichteter Verlagerung und zufälliger Durchmischung beschreibt. Begrabenes Auswurfmaterial und Verdichtung erzeugen im Mittel eine gerichtete Verlagerung nach unten, während das stochastische Wirken vieler kleinerer Krater Material zufällig durchmischt, mathematisch also als Kombination aus Advektion und Diffusion.
„Unser mathematisches Modell behandelt die Durchmischung des Mondbodens durch Einschläge als einen Wettbewerb zwischen Kräften, die den Boden vergraben, und Einschlägen, die ihn wieder ausgraben. Es berücksichtigt außerdem den radioaktiven Zerfall der Sternenreste und bildet zugleich genau ab, wann und wo neuer Sternenstaub durch episodische Supernovae abgelagert wurde“, erklärt Emily S. Costello.
Zunächst prüfte das Team das Modell an Reifeprofilen von Apollo-Bohrkernen, die zeigen, wie stark der Regolith durch lange Weltraumexposition verändert wurde. Die untersuchten Profile decken Zeiträume von rund 14 bis 450 Millionen Jahren ab und die berechneten Verläufe stimmten über diesen großen Bereich mit den Messdaten überein. Damit konnte das Modell zeigen, dass dieselben Transportregeln sowohl vergleichsweise junge als auch sehr alte Regolithprofile beschreiben.
Anschließend speisten die Forscher die bekannten Eisen-60-Einträge vor rund 2,3 und 7,3 Millionen Jahren in das Modell ein und berücksichtigten zusätzlich den radioaktiven Zerfall. Die berechneten Tiefenprofile passten zu den Messungen aus mehreren Apollo-Proben. Besonders wichtig ist, dass die Übereinstimmung an Orten mit unterschiedlichem natürlichem Eisengehalt erhalten blieb, was dafür spricht, dass die Aufnahme des Supernova-Staubs nicht wesentlich von der lokalen Eisenmenge im Regolith abhängt.
„Als ich meine Modellergebnisse erstmals vorgestellt habe, waren meine Kollegen überrascht, wie gut Modell und Messungen übereinstimmten. Dieses Maß an Übereinstimmung zwischen empirischen Beobachtungen und einem physikalischen Modell ist spannend und bemerkenswert“, sagt Emily S. Costello.
Die Daten sind zugleich mit einem annähernd gleichmäßigen Eintrag an den Breitengraden der Apollo-Landestellen vereinbar. Das beweist keine vollständig isotrope Ankunft des Staubs auf dem gesamten Mond, weil die vorhandenen Proben nur einen begrenzten Bereich der Mondoberfläche abdecken. Zusätzliche Proben aus höheren Breiten könnten deshalb zeigen, ob interstellare Magnetfelder ursprüngliche Richtungsinformationen des Staubs erhalten oder verwischt haben.
Bei einigen Proben gibt es zudem Abweichungen. Sehr feine Körner und oberflächennahe Schichten enthalten teils