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Kosmische Spurensuche mit Neutronen

Mammut

Vor etwa 12.900 Jahren kühlte das Erdklima innerhalb nur eines Jahrzehnts stark ab, was unter anderem sehr wahrscheinlich das Aussterben der Mammuts zur Folge hatte. Auslöser war vermutlich ein gewaltiger Meteoriteneinschlag. Er überzog Europa und Amerika mit einer dünnen Gesteinsschicht. Mit Hilfe der Neutronenforschung gelang es, Hinweise auf die Herkunft des kosmischen Brockens zu geben: Die Zusammensetzung der Gesteinsschicht zeigt eine verblüffende Ähnlichkeit mit Mondgestein.

PGAA/NAA-Untersuchungen PGAA/NAA-Untersuchungen

Abb. 1: PGAA/NAA-Untersuchungen von Proben der JD-Schicht, die aus verschiedenen Ausgrabungsstellen stammen, zeigen a) zahlreiche chemische Gemeinsamkeiten und b) negative Abweichungen im Europiumgehalt nur in Proben von KREEP-Mondgestein sowie von SAU 169, einem im Oman gefundenen Meteor mit wahrscheinlichem Ursprung im KREEP-Gebiet des Mondes. | © Richard B. Firestone, Lawrence Berkeley National Laboratory

Vor etwa 12.900 Jahren starben Mammuts und andere Großtiere aus und die prähistorische paläoindianische Clovis-Kultur verschwand vom amerikanischen Kontinent. Zur gleichen Zeit schmolz urplötzlich der Laurentidische Eisschild in Kanada und störte den Wasserkreislauf im Nordatlantik, was die Rückkehr eiszeitlicher Bedingungen über 1300 Jahre zur Folge hatte. Diese Zeit ist als Jüngere Dryaszeit (JD) bekannt geworden, benannt nach einer Pflanze, die im eisigen Tundraklima verbreitet wuchs. Zeitgleich lagerte sich über Amerika und Europa eine dünne Sedimentschicht ab. Sie enthält magnetische Partikel, Iridium-reiche Mikrokügelchen, Kohlenstoffkügelchen, Nanodiamanten und eine Vielzahl anderer Marker, die typisch für einen enormen extraterrestrischen Einschlag sind. Nach einer neuen Hypothese ist dieser Einschlag direkt verantwortlich für das Aussterben der Tierarten und die Klimaänderungen zu dieser Zeit.

Eine Neutronenmethode namens „Prompt Gamma Activation Analysis” (PGAA) erwies sich als wichtiges Werkzeug, um die Zusammensetzung des Meteoriten und seine Herkunft zu bestimmen. PGAA macht sich zunutze, dass charakteristische Gammastrahlung entsteht, wenn Atomkerne Neutronen absorbieren. PGAA ist außerdem zerstörungsfrei und bietet eine einzigartige Möglichkeit zur Untersuchung leichter Elemente, vor allem von Wasserstoff und Bor, die mit Routine-Analysemethoden nur schwer nachzuweisen sind. Außerdem ist die PGAA sehr sensitiv für Seltenerdmetalle. Mit Hilfe der PGAA wurden am Heinz Maier-Leibnitz Zentrum eine Reihe archäologischer Proben, Bodenproben und Meteoritensplitter untersucht, die von verschiedenen Ausgrabungsstellen in den USA stammen.

fossil mammoth fossil mammoth

Abb. 2: Bei der Suche nach versteinerten Mammutstoßzähnen und Schädelknochen von Bisons als Beleg für den JD-Einschlag wurden Fossilien entdeckt, die Spuren von Einschlägen mit hoher Geschwindigkeit nur von einer Seite besitzen. PGAA-Analysen von Teilchen, die in den Fossilien eingebettet waren, ergaben, dass diese vor allem aus Eisen mit einem hohen Nickelanteil von 20 Prozent bestehen, so wie übliche Eisenmeteoriten. Die magnetischen JD-Kristalle hingegen sind anders zusammengesetzt: Sie sind reich an Titan und arm an Nickel. Später durchgeführte Radiokarbondatierungen führten zu dem Ergebnis, dass die Fossilien 37.000 Jahre alt sind und von einem anderen Einschlagsereignis zeugen, der möglicherweise den Sithylemenkat-Krater in Alaska entstehen ließ. | © Richard B. Firestone, Lawrence Berkeley National Laboratory

Untersuchungen der JD-Sedimentschicht (Abb. 1) zeigten eine bemerkenswerte Ähnlichkeit zu Gesteinsproben von dem Gelände, das die Apolloastronauten auf dem Mond besuchten. Charakteristisch für dieses Gelände ist das Vorkommen eines KREEP genannten Magmagesteins, das Kalium (K), Seltenerdmetalle (REE) und Phosphor (P) enthält. Der hohe Wassergehalt in den magnetischen Körnern, den die PGAA nachgewiesen hat, legt außerdem nahe, dass sie unter feuchten Bedingungen entstanden, was zu einem Szenario passt, das ein gewaltsames Zusammentreffen mit dem Laurentidischen Eisschild beinhaltet. Die Verteilung des Einschlagsmaterials sowie die Ausrichtung der Carolina-Buchten an der Ostküste der USA, die vermutlich durch den Einschlag entstanden, passen außerdem zu einem Einschlag nahe der Großen Seen. Die Suche nach weiteren Beweisen für einen JD-Meteoriteneinschlag führte zur Entdeckung weiterer Einschlagereignisse (Abb. 2).

Originalpublikation:
Ted E. Bunch et al.: Very high-temperature impact melt products as evidence for cosmic airbursts and impacts 12,900 years ago, Proc. Nat. Acad. Sci. 109 (2012) E1903, DOI: doi: 10.1073/pnas.1204453109

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