Jupiter sortierte den Staub im jungen Sonnensystem – Asteroid Bennu liefert den entscheidenden Hinweis

Jupiter war einmal kein fertiger Gasriese, sondern ein wachsender Gigant in einer Scheibe aus Gas, Eis und Staub. Schon damals dürfte er entschieden haben, welches Material weiter nach innen gelangte: Größere Partikel blieben eher hängen, feiner Staub zog vorbei. Aus dieser sortierten Mischung könnte vor rund 4,5 Milliarden Jahren der größere Himmelskörper entstanden sein, aus dessen Trümmern später Asteroid Bennu hervorging.

Darauf weisen neue Analysen von Material hin, das die NASA-Sonde OSIRIS-REx direkt von Bennu zur Erde brachte. Wissenschaftler der ETH Zürich untersuchten darin Isotope von Eisen, Titan und Chrom. Die Ergebnisse erschienen im Fachjournal Science Advances. Bennu trägt demnach einen ungewöhnlichen chemischen Fingerabdruck: Sein Material passt weder eindeutig zum inneren noch zum äußeren Sonnensystem.

Asteroid Bennu: Entstehung führt an die Wasser-Eis-Grenze

Besonders eng verwandt ist Bennu mit dem Asteroiden Ryugu und seltenen sogenannten CI-Chondriten. Diese Meteoriten gehören zu den ursprünglichsten bekannten Gesteinen des Sonnensystems. Die Eisen- und Titanisotope der untersuchten Bennu-Proben stimmen innerhalb der Messgenauigkeit mit Ryugu und CI-Material überein. Bei Chrom fanden die Wissenschaftler kleinere Unterschiede, die teilweise durch Wasser im ursprünglichen Mutterkörper entstanden sein könnten.

Diese Gemeinsamkeiten sprechen dafür, dass Bennu, Ryugu und die Mutterkörper der CI-Meteoriten Material aus einem ähnlichen Staubreservoir aufnahmen. Auffällig ist dessen Zusammensetzung. Einige Isotopensignaturen ähneln Material aus dem inneren Sonnensystem, andere dem kohlenstoffreichen Material weiter außen. Als wahrscheinlichen Entstehungsort schlagen die Autoren deshalb eine Übergangszone vor: knapp außerhalb der damaligen Wasser-Eis-Grenze, aber innerhalb der Bahn des jungen Jupiter.

Jupiter ließ vor allem feinen Staub passieren

Jupiter dürfte bereits innerhalb der ersten Million Jahre nach Entstehung der ältesten Feststoffe des Sonnensystems gewachsen sein. Nach etwa zwei Millionen Jahren könnte der Gasriese bereits mehr als 20 Erdmassen besessen haben. Seine Schwerkraft veränderte die Gas- und Staubscheibe und erzeugte Druckunterschiede. Dadurch entstand eine Art Größenfilter.

Größere Teilchen blieben bevorzugt außerhalb der Jupiterbahn hängen. Kleine Staubkörner waren dagegen stark an das Gas gekoppelt und konnten die Barriere leichter passieren. Kollisionen zerkleinerten zudem größere Körper immer wieder und lieferten neuen feinen Staub. So gelangten Teilchen aus verschiedenen Regionen des Sonnensystems in dieselbe Zone.

größere Partikel wurden stärker zurückgehalten,
feiner Staub konnte weiter nach innen wandern,
Material verschiedener Herkunft vermischte sich,
nahe der Wasser-Eis-Grenze sammelte sich ein ungewöhnlich gleichmäßiges Staubgemisch.

Eis half beim Aufbau von Bennus Mutterkörper

Die Wasser-Eis-Grenze bezeichnet jene Entfernung von der jungen Sonne, ab der Wasser gefrieren konnte. Dort entstanden günstige Bedingungen für die Bildung kleiner Himmelskörper. Wasserdampf wanderte nach außen und gefror wieder auf vorhandenen Staubteilchen. Dadurch wuchsen die Partikel leichter und konzentrierten sich stärker.

Das könnte zugleich erklären, warum Bennu, Ryugu und CI-Material vergleichsweise viel Wasser enthalten. Die Autoren nennen für diese Körper einen Wasseranteil von ungefähr sechs bis 20 Gewichtsprozent. Bennus Ausgangsmaterial entstand demnach möglicherweise in einer Region, in der Staub aus unterschiedlichen Teilen des Sonnensystems zusammenkam und gleichzeitig genügend Eis vorhanden war.

Bennu ähnelt überraschend stark dem Material der Sonne

Noch ungewöhnlicher ist die chemische Zusammensetzung von Bennu. Zusammen mit Ryugu und CI-Chondriten gehört sein Material zu den wenigen bekannten Proben, deren Elementverteilung der Zusammensetzung der Sonne sehr nahekommt. Weil die Sonne mehr als 99 Prozent der Masse des Sonnensystems enthält, gilt ihre Zusammensetzung als wichtige Referenz für das ursprüngliche Material der planetaren Scheibe.

Feiner Staub könnte über große Entfernungen besonders gründlich durchmischt worden sein. Andere Asteroiden nahmen zusätzlich größere Partikel wie sogenannte Chondren oder calcium- und aluminiumreiche Einschlüsse auf. Bei den Vorläufern von Bennu dominierte dagegen offenbar stärker die fein gemischte Staubfraktion.

„Bennu ist ein Mischling: Das Material passt weder eindeutig zum inneren noch zum äußeren Sonnensystem“, sagt ETH-Professorin Maria Schönbächler. Bennu trage Eigenschaften beider Regionen. Der Asteroid könnte deshalb besonders ursprüngliches Material bewahrt haben.

Bennu bewahrt Material aus der Frühzeit des Sonnensystems

Die neue Erklärung ersetzt den früher diskutierten Ursprung weit draußen im Sonnensystem nicht durch einen exakt bestimmten Geburtsort. Die Isotopenmessungen belegen die außergewöhnliche Verwandtschaft von Bennu, Ryugu und CI-Meteoriten. Die Entstehung nahe der Wasser-Eis-Grenze und Jupiters Filterwirkung bilden daraus ein physikalisch begründetes Szenario.

Auch das Alter passt dazu. Neuere Daten von Ryugu erlauben eine Bildung solcher Körper bereits rund zwei Millionen Jahre nach den ältesten Feststoffen des Sonnensystems. Die Bennu-Daten sind ebenfalls mit einer frühen Entstehung vereinbar. Eine Bildung weit draußen in der späteren Kometenregion lässt sich damit schwieriger erklären.

„Bennu könnte uns den besten Einblick in die ursprüngliche Mischung chemischer Elemente bieten, aus der die Gesteinsplaneten entstanden sind“, sagt Schönbächler. In dem kleinen Asteroiden steckt damit Material aus einer Zeit, als Jupiter noch wuchs und aus Staub erst die Bausteine des heutigen Sonnensystems entstanden.

Kurz zusammengefasst:

Bennu, Ryugu und seltene CI-Meteoriten entstanden wahrscheinlich aus einem gemeinsamen Staubreservoir nahe der Wasser-Eis-Grenze im jungen Sonnensystem.
Der damals wachsende Jupiter hielt größere Partikel eher zurück, während feiner Staub weiter nach innen gelangen und sich mit Material aus verschiedenen Regionen mischen konnte.
Bennus ungewöhnliche Isotopenzusammensetzung liefert damit wichtige Hinweise darauf, wie sich Staub im frühen Sonnensystem verteilte und daraus Planetenbausteine entstanden.

Übrigens: Auch Proben des mit Bennu eng verwandten Asteroiden Ryugu sorgten für eine Überraschung – trotz strenger Schutzmaßnahmen besiedelten irdische Bakterien das Material im Labor. Wie schnell sich die Mikroorganismen ausbreiteten und warum das Weltraummissionen vor Probleme stellt, mehr dazu in unserem Artikel.