Nanoanalytische Untersuchungen an präsolarer Materie aus Meteoriten mittels Spektromikroskopie und nachfolgender Massenspektrometrie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Neben astronomischen Beobachtungen mittels boden- und satellitengestützer Instrumente existiert ein weiterer experimenteller Zugang zu astrophysikalischen Fragestellungen in Form einer Auswahl extraterrestrischen Materials, das für Laboruntersuchungen zur Verfügung steht. Hierzu zählen interplanetare Staubpartikel, Proben, die von Raumfahrzeugen zur Erde zurückgebracht wurden und primitive Meteorite. Von besonderem Interesse sind sog. primitive kohlige Chondrite, eine Klasse von Meteoriten, die seit ihrer Entstehung im frühen Sonnensystem kaum verändert wurden. Sie enthalten neben frühem solarem Material präsolare Minerale, die in Sternwinden von Supernovae und roten Riesensternen kondensiert sind und die Bildung unseres Sonnensystems weitgehend unverändert überstanden haben. Strukturelle, chemische und isotopische Analysen dieser Proben besitzen demnach eine große Relevanz für eine Vielzahl astrophysikalischer Forschungsgebiete. Im Rahmen des Projektes wurden Laboranalysen mittels modernster physikalischer Methoden an Bestandteilen primitiver Meteorite durchgeführt. Aufgrund der Vielfalt der zu untersuchenden Eigenschaften und der geringen Größen der analysierten Partikel zwischen wenigen Nanometern und einigen Mikrometern mussten hierbei hohe Anforderungen an Nachweiseffizienz und Ortsauflösung gestellt werden. Durch die Kombination verschiedener Methoden wurde ein neuer methodologischer Ansatz zur Analyse präsolarer Minerale (beispielsweise SiC) entwickelt. Aufgrund geringer Mengen verfügbaren Materials basiert dieses Konzept auf der parallelen nichtdestruktiven Vorcharakterisierung einer Vielzahl präsolarer Partikel im Hinblick auf ihren Gehalt diagnostischer Spurenelemente. Eine anschließende massenspektrometrische Untersuchung identifizierter Partikel mit hohen Konzentrationen interessanter Elemente ist in der Lage, Informationen zu nukleosynthetischen Bedingungen in ihren stellaren Quellen zu liefern. Weiterhin wurden Analysen meteoritischer Nanodiamanten durchgeführt, deren geringe Größen von wenigen Nanometern zu stark modifizierten Festkörpereigenschaften führen. Im Rahmen des Projektes wurde eine quantitative Beschreibung von Quanteneinschluss-Effekten entwickelt, wie sie in diesen größenverteilten Halbleiter-Nanopartikeln auftreten. Die abgeleiteten Ergebnisse besitzen Relevanz für nanotechnologische Forschungen. Den Kern der Arbeiten bildeten Untersuchungen an frühen solaren Partikeln, sog. refraktären Metall Nuggets (RMN). Mit Hilfe struktureller, chemischer und isotopischer Analysen, sowie dem Vergleich der Ergebnisse mit thermodynamischen Rechnungen, konnte zum ersten Mal ein direkter Nachweis von Kondensationsprozessen im frühen solaren Nebel erbracht werden. Die analysierten RMN gehören zu den ersten Festkörperkondensaten, die im frühen Sonnensystem gebildet wurden und scheinen seit ihrer Entstehung nicht durch sekundäre Prozesse verändert worden zu sein. Weiterhin konnte erstmals die Abkühlrate des Gases des lokalen solaren Nebels, in dem die ersten Kondensationsprozesse stattfanden, zu 0.5 K/Jahr bestimmt werden, wodurch ein detaillierter Blick in die thermodynamische Geschichte des frühen Sonnensystems möglich wird. Die extrahierten Parameter haben weitreichende Auswirkungen auf die Modelle der Entstehung erster solarer Festkörper, welche die Grundbausteine der Planetenbildung darstellen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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"Evidence for Condensation of Sub-Micron Refractory Metal Alloys in the Early Solar System", Paneth Colloquium 2008, 29. - 31. Oktober 2008, Nördlingen, Deutschland
T. Berg, E. Marosits, J. Maul, G. Schönhense, P. Hoppe, U. Ott and H. Palme
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"Evidence for quantum confinement in lognormal size distributed nanodiamonds", Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft 2008 (Fachverband "Oberflächenphysik"), 25. - 29. Februar 2008, Berlin, Deutschland
T. Berg, E. Marosits, J. Maul, P. Nagel, U. Ott, F. Schertz, S. Schuppler, Ch. Sudek and G. Schönhense
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"Evidence for structurally controlled condensation of sub-micron refractory metal alloys in the Murchison meteorite", 71st Annual Meeting of the Meteoritical Society, 28. Juli - 1. August 2008, Matsue, Japan
T. Berg, E. Marosits, J. Maul, G. Schönhense, U. Ott and H. Palme
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"Evidence for structurally controlled condensation of sub-micron refractory metal alloys in the Murchison meteorite", Meteorit. Planet. Sci. 43 (2008) A24 (Abstract #5085)
T. Berg, E. Marosits, J. Maul, G. Schönhense, U. Ott and H. Palme
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"Quantum confinement observed in the X-ray absorption spectrum of size distributed meteoritic nanodiamonds extracted from the Murchison meteorite", 39th Lunar and Planetary Science Conference (LPSC), 10. - 14. März 2008, League City (Texas), USA
T. Berg, E. Marosits, J. Maul, P. Nagel, U. Ott, F. Schertz, S. Schuppler, Ch. Sudek and G. Schönhense
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"Quantum confinement observed in the X-ray absorption spectrum of size distributed meteoritic nanodiamonds extracted from the Murchison meteorite", Lunar Planet. Sci 39 (2008) Abstr. #1247
T. Berg, E. Marosits, J. Maul, P. Nagel, U. Ott, F. Schertz, S. Schuppler, Ch. Sudek and G. Schönhense
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"Quantum confinement observed in the x-ray absorption spectrum of size distributed meteoritic nanodiamonds", J. Appl. Phys. 104 (2008) 064303
T. Berg, E. Marosits, J. Maul, P. Nagel. U. Ott, F. Schertz, S. Schuppler, Ch. Sudek and G. Schönhense
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"The Search for Trace Elements in Presolar Dust Grains: A Glance at a Time Prior to the Solar System", ANKA Annual Report 2008
T. Berg, J. Maul, N. Erdmann, P. Bernhard, F. Schertz, S. Schuppler, P. Nagel, Ch. Sudek, U. Ott and G. Schönhense
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"Direct Evidence for Condensation in the Early Solar System and Implications for Nebular Cooling Rates", Astrophys. J. 702 (2009) L172-L176
T. Berg, J. Maul, G. Schönhense, E. Marosits, P. Hoppe, U. Ott and H. Palme
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"Direct evidence for condensation of mineral grains in chondritic meteorites", Meteorit. Planet. Sci. 44 (2009)
H. Palme, A. Pack and T. Berg
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"Evidence for Nebular Condensation of Sub-micron Refractory Metal Alloys", 40th Lunar and Planetary Science Conference (LPSC), 23. - 27. März 2009, Houston, The Woodlands (Texas), USA
T. Berg, E. Marosits, J. Maul, G. Schönhense, P. Hoppe, U. Ott and H. Palme
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"Evidence for Nebular Condensation of Sub-micron Refractory Metal Alloys", Lunar Planet. Sci. 40 (2009) Abstr. #1585
T. Berg, E. Marosits, J. Maul, G. Schönhense, P. Hoppe, U. Ott and H. Palme
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“Direct evidence for condensation of mineral grains in chondritic meteorites", 72nd Annual Meeting of the Meteoritical Society, 13.-18.7.2009, Nancy, Frankreich
H. Palme, A. Pack and T. Berg
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“Die älteste Materie des Sonnensystems”, Sterne und Weltraum, Mai 2010
T. Berg, U. Ott and H. Palme
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"The Structure of Refractory Metal Alloys, Condensates from the Early Solar Nebula”, Lunar Planet. Sci. 42 (2011) Abstr. #1837
D. Harries, T. Berg, H. Palme and F. Langenhorst
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“The Structure of Refractory Metal Alloys, Condensates from the Early Solar Nebula”, 42nd Lunar and Planetary Science Conference (LPSC), 7. - 11. März 2011, Houston, The Woodlands (Texas), USA
D. Harries, T. Berg, H. Palme, U. Ott and G. Schönhense
