Stofdeeltjes van de rand van het zonnestelsel op het dak van TU

Op het dak van het Eugene-Paul-Wigner-gebouw van de TU Berlijn kun je niet alleen met een telescoop de ruimte in kijken. Naast het gebouw vonden onderzoekers in de afzettingen op de vloer twee micrometeorieten. Eén ervan komt vermoedelijk van de rand van het zonnestelsel.

De komeet 67P/Churyumov-Gerasimenko, gefotografeerd op 20 november 2014 door de sonde Rosetta van de Europese Ruimtevaartorganisatie ESA. Rosetta was op dat moment slechts 31 kilometer van de komeet verwijderd. Vooral wanneer hij zich in de buurt van de zon bevindt, spuwt de komeet herhaaldelijk fonteinen van gas en stof uit. De stofdeeltjes kunnen dan als micrometeorieten op de aarde terechtkomen.

Micrometeoriet met een metalen parel aan de rand. Het ontstond nadat tijdens de smeltfase in de aardatmosfeer de elementen nikkel en ijzer zich van de rest hadden gescheiden. Bij het afkoelen stolden deze metalen vervolgens tot een extra bolletje. Aan dit bolletje kan men aflezen hoe de micrometeoriet de atmosfeer is binnengekomen, namelijk met het bolletje voorop.

Micrometeoriet met schildpadpatroon, ontstaan door speciale kristallisatieprocessen in de aardatmosfeer. Het komt hoogstwaarschijnlijk uit het buitenste zonnestelsel en zou afkomstig kunnen zijn van kometen die langs Jupiter passeren, of van gesteentemateriaal dat is afgesplitst in de Kuipergordel – op een afstand zo groot als ongeveer 40 keer de afstand tussen de aarde en de zon.

Burgerwetenschappers kunnen micrometeorieten verzamelen op hun daken en met enige oefening identificeren onder een lichtmicroscoop. De meest ervaren van hen hebben nu samen met een team van onderzoekers van de TU Berlin en het Museum für Naturkunde in Berlijn, evenals andere internationale wetenschappers, met grote waarschijnlijkheid de herkomstplaatsen van twee micrometeorieten in het zonnestelsel kunnen achterhalen. Beide bevonden zich in stof die op het dak van het Eugene-Paul-Wigner-gebouw van de TU Berlin was verzameld. Voor het eerst werd bij deze studie een computersimulatie ingezet die een groot aantal mogelijke banen, deeltjeskenmerken en de invloed van kosmische straling op micrometeorieten in overweging neemt. De gegevens uit deze computersimulatie werden vervolgens vergeleken met metingen van de micrometeorieten in de deeltjesversneller VERA van de Universiteit van Wenen, om hun herkomstplaats te bepalen.

Scott Peterson is veteraan van het Amerikaanse leger, studeert chemietechniek in Minneapolis en zorgt tegelijkertijd als huisman voor zijn zoon. Daarnaast is hij een van de meest bedreven verzamelaars van micrometeorieten wereldwijd. Deze gemeenschap groeit voortdurend, sinds de Noorse jazzmuzikant en burgerwetenschapper Jon Larsen in 2015 samen met het Imperial College in Londen voor het eerst kon aantonen dat micrometeorieten niet alleen in afgelegen gebieden zoals de oceaanbodem of het ijs van Antarctica voorkomen, maar ook op onze daken.

Burgerwetenschapper identificeert micrometeorieten

“We hadden Scott gevraagd om een kijkje te nemen naar onze monsters, want hij heeft gewoon het beste oog voor het identificeren van micrometeorieten onder de microscoop,” vertelt Dr. Jenny Feige, die met een ERC-startgrant van de Europese Onderzoeksraad kosmisch stof onderzoekt. Eerst aan het Centrum voor Astronomie en Astrofysica (ZAA) van de TU Berlin, tegenwoordig aan het Museum für Naturkunde in Berlijn, waar ook andere projecten over micrometeorieten samen met burgerwetenschappers worden uitgevoerd. Voordat Scott Peterson werd geraadpleegd, waren onderzoekers van de TU Berlin op het dak van het fysica-gebouw geklommen, hadden de afzettingen uit de hoeken verzameld en meegenomen. “Het geheel wordt in water geweekt om de kleinste blaadjes en dergelijke te verwijderen. Daarna verwarmen we het sediment tot 600 graden om microben en ander organisch materiaal volledig te vernietigen. Vervolgens wordt het materiaal nog gezeefd, en dan begint de zoektocht naar de micrometeorieten,” zegt Feige.

Van neuzen en schildpadplaten

In het monster bevonden zich ontelbare bolletjes van 100 tot 500 micrometer groot, waarvan de meeste in de terminologie van de onderzoekers een “antropogene contaminatie” vormden – dat wil zeggen afkomstig uit door de mens gemaakte bronnen zoals zwaveldampen, vuurwerk of gewoon metaalafval van het verkeer. In de allerlaatste submonster vond Scott Peterson daadwerkelijk twee micrometeorieten die door karakteristieke structuren aan een bepaalde klasse konden worden toegewezen. Deze structuren ontstaan wanneer kosmisch stof in de atmosfeer van de aarde raast en door de wrijving met luchtdeeltjes wordt afgeremd en sterk verhit, tot ze smelten. Nadat ze daarbij gemiddeld 90 procent van hun massa hebben verloren, kristalliseert de rest bij het afkoelen afhankelijk van de invalshoek en snelheid in de atmosfeer, de samenstelling en de omgevingsomstandigheden verschillend uit.

Zo bezit de ene micrometeoriet door bepaalde kristallisatieprocessen een patroon dat lijkt op een schildpadpantser. Bij de andere waren tijdens het smeltproces de elementen nikkel en ijzer gescheiden van de rest en zijn die bij het afkoelen tot een extra bolletje op de micrometeoriet gestold. “Uit deze ‘neus’ kan men zelfs afleiden hoe hij de atmosfeer is binnengedrongen, namelijk met dat bolletje voorop,” vertelt Feige.

Micrometeorieten kunnen iets vertellen over de omstandigheden in het zonnestelsel

“Het blijft een grote uitdaging voor de wetenschap om iets te achterhalen over de herkomstplaats van de micrometeorieten die op aarde zijn gevonden,” zegt Dr. Beate Patzer, theoretisch astrofysicus aan het ZAA van de TU Berlin. “Dit zou echter zeer wenselijk zijn, want micrometeorieten kunnen uit heel verschillende gebieden van ons zonnestelsel komen met zeer uiteenlopende omstandigheden. Ongeveer 100 ton voornamelijk interplanetaire stof vangt de aarde per dag op. Micrometeorieten zijn daarmee veel frequenter dan grotere meteorieten; we zouden dus veel meer gegevens kunnen genereren en veel leren over ons zonnestelsel.”

Vluchtduur tot de aarde

Een methode om de herkomst van een micrometeoriet te bepalen, is de analyse van duurzame, radioactieve isotopen die zich tijdens zijn reis door de ruimte door bestraling met de in het heelal alom aanwezige kosmische straling hebben gevormd. “Aan de hand van de verhouding van verschillende isotopen met verschillende halveringstijden en een fysisch model dat de vorming van deze isotopen beschrijft, kan men de vluchtduur van de buitenaardse stofdeeltjes tot aan de aarde afleiden – en daarmee hun herkomstplaats in het zonnestelsel,” legt Patzer uit.

Eerste computersimulatie voor analyse

“Voor deze analyse hebben we voor het eerst een uitgebreide computersimulatie gemaakt die mogelijke banen van interplanetaire stofdeeltjes, de grootte van de stofdeeltjes, hun samenstelling en dichtheid, stralingsprofielen van de zon en de kosmische straling uit de interstellaire ruimte, verdampingsraten tijdens de atmosfeerinvoer en nog vele andere parameters in overweging neemt,” zegt Jenny Feige. De onderzoekers richtten zich daarbij op de radioactieve isotopen aluminium-26 en beryllium-10.

Om de zeer kleine hoeveelheden van deze isotopen in de micrometeorieten te kunnen meten, werkte het onderzoeksteam samen met de deeltjesversneller VERA in Wenen. Bij de daar uitgevoerde “versneller-massaspectrometrie” worden de chemische elementen niet alleen op basis van hun massa gesorteerd, maar ook op basis van het aantal protonen in de kern – wat een eenduidige identificatie van de isotopen mogelijk maakt.

Schildpad uit de rand van het zonnestelsel

De concentraties van aluminium-26 en beryllium-10 in de micrometeorieten werden vervolgens vergeleken met de resultaten van de computersimulatie, die de verrijking van deze radio-isotopen in de micrometeorieten voorspelt afhankelijk van de vluchtduur en daarmee de herkomstplaats in de ruimte. Daarbij bleef de herkomst van zes op andere plaatsen verzamelde micrometeorieten onduidelijk; zes andere micrometeorieten konden echter met grote waarschijnlijkheid worden toegewezen aan een herkomstplaats, waaronder de twee die op het dak van de TU Berlin werden gevonden: De micrometeoriet met het schildpadpatroon komt uit het uiterste zonnestelsel en zou afkomstig kunnen zijn van kometen die langs Jupiter passeren, of van gesteentemateriaal dat is afgesplitst in de Kuipergordel – op een afstand zo groot als ongeveer 40 keer de afstand van de aarde tot de zon. De micrometeoriet met de ‘neus’ daarentegen, komt uit het binnenste zonnestelsel, van aardnabije objecten of van die tussen Mars en Jupiter in de asteroïdengordel.

“Met dit resultaat konden we de fundamentele geschiktheid van onze methode aantonen,” zegt Jenny Feige. “Het zal in de toekomst mogelijk maken om nog meer te leren over het heelal met behulp van micrometeorieten. Vooral die op onze daken zijn daarbij bijzonder waardevol, want hier kennen we hun verblijfstijd op aarde heel precies: ze kunnen niet ouder zijn dan het dak zelf. Bij vondsten uit de diepzee of Antarctica zouden de micrometeorieten daarentegen al miljoenen jaren kunnen liggen, wat de resultaten minder betrouwbaar maakt.”