Zu verstehen, wie Staubkörnchen in interstellarem Gas entstehen, könnte Astronomen entscheidende Einblicke geben und Materialwissenschaftlern dabei helfen, nützliche Nanoteilchen zu entwickeln.
Labor- und raketenbasierte Studien haben neue Einblicke in die Art und Weise gegeben, wie interstellare Staubkörnchen gebildet wurden, bevor unser Sonnensystem entstand. Die Ergebnisse wurden von Forschern der Hokkaido University und Kollegen in Japan und Deutschland im Journal Science Advances veröffentlicht und könnten Wissenschaftlern auch helfen, Nanoteilchen mit nützlichen Anwendungsmöglichkeiten auf effizientere und ökologischere Weisen zu produzieren.
Diese präsolaren Körnchen können in Meteoriten gefunden werden, die auf der Erde einschlagen. Sie erlauben Laborstudien, die mögliche Wege für ihre Entstehung offenlegen.
“Genau wie die Formen von Schneeflocken Informationen über die Temperatur und Luftfeuchtigkeit der oberen Atmosphäre liefern, so begrenzen die Eigenschaften der präsolaren Körnchen in Meteoriten die Umgebungen in den Abströmungen von Sternen, in denen sie sich gebildet haben könnten”, erklärte Yuki Kimura vom Team der Hokkaido University. Unglücklicherweise hat es sich jedoch als schwierig erwiesen, die möglichen Umgebungen für die Entstehung von Körnchen zu lokalisieren, die aus einem Titancarbidkern bestehen und von einem graphitähnlichen Kohlenstoffmantel umgeben sind.
Ein besseres Verständnis der Umgebung von Sternen, in denen die Körnchen entstanden sein könnten, ist entscheidend, um mehr über die interstellare Umgebung im Allgemeinen zu erfahren. Das könnte wiederum helfen zu klären, wie Sterne sich entwickeln und wie die Materie in ihrer Umgebung zu den Bausteinen für Planeten wird.
Die Struktur der Körnchen scheint darauf hinzudeuten, dass ihr Titancarbidkern zuerst entstand und dann nachfolgend in eine dicke Schicht aus Kohlenstoff eingebettet wurde. Das geschah demnach in ferneren Regionen in Gasabströmungen von Sternen, die vor der Sonne entstanden.
Das Team erforschte die Bedingungen, die die Körnchenbildung mittels laborgestützter Modellierungsstudien rekonstruieren könnten, angeleitet von theoretischen Arbeiten zur Körnchennukleation – der Bildung von Körnchen aus winzigen ursprünglichen Strukturen. Diese Arbeit wurde durch Experimente unterstützt, die während der Mikrogravitationsperioden an Bord von suborbitalen Forschungsraketen durchgeführt wurden.
Die Ergebnisse zeigten manche Überraschung. Sie sprechen dafür, dass die Körnchen höchstwahrscheinlich in einem Prozess entstanden, den die Forscher als einen nicht-klassischen Nukleationsweg bezeichnen: eine Reihe von drei einzelnen Schritten, die von konventionellen Theorien nicht vorhergesagt wurden. Zuerst bildet Kohlenstoff einen winzigen, homogenen Kern. Dann lagert sich Titan an diesem Kohlenstoffkern ab, um Kohlenstoffteilchen zu bilden, die Titancarbid enthalten. Zum Schluss schließen sich tausende dieser feinen Teilchen zusammen, um das Körnchen zu bilden.
“Wir vermuten auch, dass die Eigenschaften von anderen Arten präsolarer und solarer Körnchen, die in späteren Entwicklungsstadien des Sonnensystems entstanden, präzise erklärt werden könnten, wenn man nicht-klassische Nukleationswege in Betracht zöge, so wie jenen in unserer Studie”, schlussfolgerte Kimura.
Die Studie könnte dabei helfen, ferne astronomische Ereignisse zu verstehen, darunter Riesensterne, neu entstehende Planetensysteme und die Atmosphären von Planeten in fremden Sternsystemen. Aber sie könnte auch Wissenschaftler hier auf der Erde dabei unterstützen, die Nanoteilchen besser zu kontrollieren, die sie auf vielen Gebieten erforschen, beispielsweise in den Bereichen Sonnenenergie, chemische Katalyse, Sensoren und Nanomedizin. Die potenziellen Auswirkungen der Untersuchung von winzigen Körnchen in Meteoriten reichen daher von den zukünftigen Industrien auf der Erde so weit wie wir uns vorstellen können.
(THK)
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