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Eisen- und Nickeldampf um eiskalte Kometen

Nachweis gasförmiger Metalle trotz niedriger Temperaturen wirft Fragen auf

Komet
In der Hülle von Kometen wie hier C/2016 R2 gibt es trotz Kälte gasförmiges Nickel und Eisen, wie das Lichtspektrum belegt. © ESO/L. Calçada, SPECULOOS Team/E. Jehin, Manfroid et al.

Rätselhafter Fund: Astronomen haben erstmals gasförmiges Eisen und Nickel in der Hülle sonnenferner Kometen entdeckt – auch am interstellaren Kometen 2l/Borisov. Das Überaschende daran: Diese Kometen sind eigentlich viel zu kalt, um diese Metalle sublimieren und ausgasen zu lassen. Woher die Metalldämpfe kommen und auf welche Weise sie trotz Minustemperaturen gasförmig wurden, muss nun geklärt werden, so die beiden Forscherteams im Fachmagazin „Nature“.

Eisen und Nickel gehören zu den häufigsten Metallen in unserem Sonnensystem. Sie kommen meist als Legierung oder Minerale im Gestein der Planeten und Meteoriten vor. Um diese Metalle aber zu Dampf zu machen, ist normalerweise große Hitze nötig. Selbst unter Weltraumbedingungen wurde gasförmiges Eisen und Nickel bislang nur in der Gashülle von extrem heißen Exoplaneten nachgewiesen oder bei Kometen, die sehr nah an der Sonne vorbeifliegen.

Spektrallinien von gasförmigem Eisen und Nickel

Umso erstaunlicher ist nun der Nachweis von Eisen- und Nickeldampf in der Hülle selbst sonnenferner Kometen. Entdeckt haben dies Astronomen um Jean Manfroid von der Universität Lüttich in Belgien, als sie das Lichtspektrum von 20 Kometen im äußeren Sonnensystem näher analysierten. Sie hatten die eisigen Brocken mit dem UVES-Spektrografen am Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte ESO in Chile ins Visier genommen.

Es zeigte sich: Das Licht, das von der Hülle der Kometen ausging, zeigte im blauen Bereich eine Reihe von schwachen Spektrallinien, die zuvor nie aufgefallen waren. Ihre Position und Merkmale belegen, dass sie von neutralen, gasförmigen Eisen- und Nickelatomen stammen müssen. Demnach muss es um diese Kometen Metalldämpfe geben – wenn auch in geringen Mengen: Auf rund 100 Kilogramm ausgasenden Wasserdampf kommen je ein Gramm Eisen und Nickel. „Wir waren sehr überrascht, Eisen- und Nickelatome in der Atmosphäre aller etwa 20 Kometen zu finden“, sagt Manfroid.

„Unmögliche“ Sublimation

Das Merkwürdige daran: Anders als bei heißen Exoplaneten oder sonnennahen Kometen ist es in der Koma dieser Brocken eiskalt. Die Temperaturen liegen den Daten zufolge zwischen minus 93 und plus 60 Grad. „Dies ist viel weniger als man normalerweise braucht, um metallhaltige Staubkörnchen oder auch Eisen und Nickel in metallischer Form sowie als Sulfide zu verdampfen“, schreiben die Astronomen. Bei dieser Kälte dürften die Metalle demnach nicht von der Kometenoberfläche ausgasen.

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Das wirft die Frage auf, woher das gasförmige Eisen und Nickel kommen – und wie es trotz der niedrigen Temperaturen ausgasen kann. Einen möglichen Hinweis lieferte Manfroid und seinem Team das Verhältnis von Eisen und Nickel in der Kometenkoma: Während in Meteoriten typischerweise zehnmal mehr Eisen als Nickel vorkommt, fanden sich an den Kometen beide Metalle zu fast gleichen Anteilen.

So haben die Astronomen die gasförmigen Metalle in der Kometenkoma nachgewiesen.© ESO/L. Calçada/M. Kornmesser, SPECULOOS Team/E. Jehin, Manfroid et al.

Organische Komplexverbindungen als „Träger“?

Die Forscher schließen daraus, dass die beiden Metalle auf der Kometenoberfläche nicht als Metalllegierung oder Sulfid vorkommen, sondern möglicherweise in einer organischen Komplexverbindung wie einem Metallcarbonyl. Darauf könnte auch der relativ hohe Anteil von Kohlenmonoxid und Kohlendioxid-Radikalen hindeuten, auf den die Spektralsignaturen einiger Kometen hindeuten. Sie könnten wie die Metalle Zerfallsprodukte der organischen Verbindungen sein.

„Wenn diese Verbindungen in Kometen präsent sind, dann könnten diese Carbonyle, anders als Silikate und Sulfide, schon bei niedrigen Temperaturen und weit von der Sonne entfernt sublimieren“, erklären die Forscher. In der Kometenhülle zerfallen diese Moleküle dann und setzen die Eisen- und Nickelatome frei.

Nickeldampf auch um 2l/Borisov

Interessant auch: Die Kometen in unserem Sonnensystem sind offenbar nicht die einzigen, bei denen es Metalldämpfe in der Koma gibt, wie eine zweite Studie belegt. Piotr Guzik und Michal Drahus von der Jagiellonen-Universität in Krakau haben die Spektralsignatur von Nickeldampf auch in der Koma des interstellaren Kometen 2l/Borisov nachgewiesen. Dieser im Sommer 2019 entdeckte Brocken kam aus einem fremden Sternsystem und war zuvor wahrscheinlich noch nie einem Stern nähergekommen.

2l/Borisov
Auch der interstellare Komet 2l/Borisov hat Nickeldampf in seiner Koma.© ESO/L. Calçada/O. Hainaut, P. Guzik and M. Drahus

Die Astronomen detektierten die Spektralsignaturen des Nickeldampfs Ende Januar 2020 – zu einem Zeitpunkt, als 2l/Borisov bereits 2,3 astronomische Einheiten von der Sonne entfernt war. Auf seiner Oberfläche herrschten dabei eisige Temperaturen von rund minus 93 Grad. „Zunächst fiel es uns schwer zu glauben, dass in 2I/Borisov so weit von der Sonne entfernt wirklich atomares Nickel vorhanden sein könnte“, berichtet Guzik.

Doch alle Überprüfungen der Daten bestätigten den Nachweis: Auch in der Koma des interstellaren Komet gibt es trotz Kälte gasförmiges Metall. Das könnte darauf hindeuten, dass Kometen verschiedener Planetensysteme auch in diesem Punkt einige Gemeinsamkeiten haben. „Jetzt stellen Sie sich vor, dass die Kometen unseres Sonnensystems echte Verwandte in anderen Planetensystemen haben – wie cool ist das denn?“, sagt Drahus.

Viele Fragen offen

Zusammengenommen unterstreichen beide Ergebnisse, dass Kometen und die auf ihnen ablaufenden Prozesse noch lange nicht vollständig erforscht sind. Die Astronomen hoffen nun, in weiteren Beobachtungen Analysen klären zu können, ob es auf den eisigen Brocken tatsächlich Carbonyle gibt und ob sie die Quelle der gasförmigen Metalle sind. Neue Teleskope und Instrumente wie das im Bau befindliche Extremely Large Telescope der ESO könnten künftig dabei helfen. (Nature, 2021; doi: 10.1038/s41586-021-03435-0; doi: 10.1038/s41586-021-03485-4)

Quelle: Nature, European Southern Observatory (ESO)

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