In einer Probe aus ozeanischem Krustenmaterial haben Wissenschaftler einen seltenen Fund gemacht: Das Gestein enthielt rund ein Dutzend Atome des Plutoniumisotops Pu-244. Dieses Element kommt auf der Erde nicht natürlich vor, auch Atomwaffenreaktoren erbrüten ein anderes Isotop. Folglich bleibt nur der Schluss, dass es aus dem All auf die Erde gekommen ist, wo es sich am Grund der Tiefsee heute noch nachweisen lässt.

Von seinem Fund berichtet das Team um Anton Wallner vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf im Fachmagazin »Science«.

Alle Elemente mit Ausnahme von Wasserstoff und Helium gehen auf Atome zurück, die in Sternen entstanden sind. Je schwerer ein Element, desto extremere Bedingungen müssen meist vorliegen, damit es sich bilden kann. Im Fall von Plutonium kommen dafür zwei kosmische Extremereignisse in Betracht: bestimmte Typen von Supernovae und die Kollision zweier Neutronensterne. In beiden Fällen werden die neu gebildeten Atome weit in den interstellaren Raum geschleudert, wo sie dann mitunter auf die Planeten vorbeiziehender Sterne rieseln. Bei einer Supernova durchläuft ein sterbender Stern ein komplexes Muster von Kontraktionen und Expansionen, bei dem immer wieder Sternenmaterial aufeinanderprallt. Bei einer Neutronenstern-Verschmelzung kommen sich die winzigen, aber ultradichten Überbleibsel von solchen Supernovae so nahe, dass sie in einer unvorstellbar energiereichen Kollision vermutlich zu einem schwarzen Loch verschmelzen. Mit Hilfe von Gravitationswellen hatten Physikerinnen und Physiker im Jahr 2017 einen solchen Vorgang beobachten können.

Mit ihrer Suche nach den rar gesäten Atomen möchten Wallner und sein Team nun mehr darüber herausfinden, welcher dieser beiden Prozesse wie viel Plutonium produziert. Das liefert im Umkehrschluss Hinweise darauf, wie die beiden Ereignisse ablaufen und welche Kräfte jeweils wirken.

Ein weiteres außerirdisches Element im Gestein – das Eisenisotop Fe-60 – lässt den Schluss zu, dass sich in dieser Probe die Spuren von zwei getrennten Supernova-Schauern erhalten haben. Das Isotop wird ebenfalls nur in sterbenden Sternen erzeugt. Laut ihrer Datierung der Probenschichten ging es einmal in der Spanne vor vier bis einer Million Jahren auf die Erde nieder und ein weiteres Mal vor etwa sieben Millionen Jahren. Dabei könnte jeweils auch Plutonium mit herabgerieselt sein.

Woher stammt das Plutonium?

Allerdings spricht nach Ansicht von Wallner einiges dafür, dass das Plutonium aus der viel selteneren, aber noch deutlich extremeren Verschmelzung zweier Neutronensterne hervorging. Denn würden die recht häufigen Supernovae (es gibt sie ein- bis zweimal pro Jahrhundert in der Milchstraße) das Plutonium produzieren, hätte das Team entweder mehr davon finden müssen, oder aber die Astrophysik müsste ihre Supernovae-Modelle revidieren. Pu-244 zerfällt mit einer Halbwertszeit von 81 Millionen Jahren und bleibt darum auch über lange Zeiträume erhalten, so dass das Plutonium in der Gesteinsprobe vom Ozeanboden womöglich deutlich früher auf die Erde kam als das Fe-60. Auch theoretische Überlegungen sprächen für dieses Szenario, sagt Wallner in einer Pressemitteilung.

Möglich machten den Fund hoch spezialisierte Detektoren, wie sie an der HIAF-Anlage (Heavy Ion Accelerator Facility) der Australian National University (ANU) in Canberra betrieben werden. Sie erlaubten es dem Team nicht nur, die einzelnen Plutoniumatome aus der Probe herauszufischen, sondern sie außerdem von ihrer irdischen Variante zu unterscheiden: In den oberen Schichten der Gesteinsprobe stießen die Fachleute auf Plutonium-239, das vermutlich bei Atombombentests freigesetzt worden und dann in den Pazifik gelangt war.