Einige Resultate

Primitive Meteorite enthalten Nanodiamanten (mittlere Größe 2.6 Nanometer), die zumindest zum Teil älter sind als das Sonnensystem ("präsolar").  Die darin gefundenen Edelgase wurden höchstwahrscheinlich durch Implantation als Ionen eingebracht. Wir haben den Prozess durch Beschuss künstlicher Explosions-Nanodiamanten mit Edelgasen (Energie etwa 1 keV) simuliert. Bei stufenweisem Erhitzen zeigen die implantierten Edelgase dieselbe Doppel-Peak-Struktur als Funktion der Temperatur, wie sie im Fall der natürlichen Nanodiamanten beobachtet wird. Die Tieftemperatur-Komponente zeigt die gleiche Isotopenzusammensetzung wie das Reservoir, aus dem die implantierten Gase stammen, während die fester gebundene Komponente zugunsten der schweren Isotope fraktioniert ist.

Anwendung auf die Beobachtungen an natürlichen Nanodiamanten legt folgende Schlussfolgerungen nahe:
a) Die isotopisch anomale HL-Komponente ist auf Krypton und Xenon beschränkt.
b) Isotopisch anomales Krypton zeigt nicht nur eine Überhöhung der schwersten Isotope (Kr-H), sondern wie auch Xenon einen Überschuss der
    leichtesten (Kr-L).
c) Beobachtete scheinbare Anomalien bei He, Ne, Ar sind durch Massenfraktionierung zu erklären. Ausnahmen sind ³He und ²¹Ne, die von der
    kosmischen Strahlung herrührende Beiträge zeigen.
d) Bei ³He könnte es sich um eingefangene kosmische Strahlung handeln. Möglicherweise kann man hieraus ein präsolares Alter für die Diamanten
    bestimmen.

Transmissions-Elektronenmikroskop-Aufnahme eines Nanodiamanten
(F. Banhart)

Kollaboration mit Karpov-Institut für Physikalische Chemie (Moskau) und Universität Hawaii..

"Noble gases in presolar diamonds III: Implications of ion implantation experiments with synthetic nanodiamonds". G.R. Huss, A.P. Koscheev 
und U. Ott  (2008). Meteoritics and Planetary Science 43, 1811-1826.

"Trapping of cosmic ray helium by interstellar diamond".  U. Ott und G.R. Huss. (2008). Meteoritics and Planetary Science 43, A125.

"Investigating recoil loss from ²²Na decay within nanograins". E. Marosits und U. Ott (2006). Meteoritics and Planetary Science 41, A113.

Das Alter des präsolaren Siliziumkarbids

Möglicherweise die einzige Methode ein Alter für präsolare Körner in Meteoriten zu bestimmen ist mittels eines kosmischen Bestrahlungsalters, welches die Zeit zwischen ihrer Kondensation und ihrer Inkorporation in unser Sonnensystem angibt. Allerdings geht ein gewisser Anteil der von der kosmischen Strahlung produzierten Spallationsprodukte aus den Körnern durch Rückstoß verloren.

Hierzu haben wir in der Vergangenheit Simulationsexperimente durchgeführt. Unsere daraus gewonnenen Kenntnisse haben wir in einer Zusammenarbeit mit der ETH Zürich (Messung des Spallations-Neons in einzelnen "Jumbo"-SiC-Körnern, Größe einige zehn µm) und der Washington University St. Louis (Präparation der Körner) eingebracht. Resultierende Alter liegen im Bereich von (meistens) wenigen Millionen Jahren bis zu in einem Fall etwa 800 Millionen Jahren. Allerdings führen ähnliche Alterbestimmung mittels Spallations-Lithium zu Altern, die generell bei einigen hundert Millionen Jahren liegen. Verbleibende Aufgaben sind die unterschiedlichen Ergebnisse zu verstehen und die Untersuchungen auf die mehr typischen kleineren SiC-Körner auszuweiten.

Raster-Elektronen-Mikroskop-Aufnahme eines "Jumbo"-Siliziumkarbid-Korns
(F. Gyngard)

"Spallation recoil and presolar age of interstellar grains in meteorites". U. Ott und F. Begemann (2000). Meteoritics and Planetary Science 35,
53-63.

"Spallation recoil II: Xenon evidence for young SiC grains". U. Ott, M. Altmaier, U. Herpers, J. Kuhnhenn, S. Merchel, R. Michel und R.K. Mohapatra (2005). Meteoritics and Planetary Science 40, 1635-1652.

"Interstellar exposure ages of large presolar SiC grains from the Murchison meteorite". F. Gyngard, S. Amari, E. Zinner und U. Ott (2009). Astrophysical Journal 694, 359-366.

"Interstellar residence times of presolar SiC dust grains from the Murchison carbonaceous meteorite". P.R. Heck, F. Gyngard, U. Ott, M.M.M. Meier, J.N. Ávila, S. Amari, E.K. Zinner, R.S. Lewis, H. Baur und R. Wieler (2009).  Astrophysical Journal 698, 1155-1164.

"Cosmic-ray exposure ages of large presolar SiC grains". F.Gyngard, S. Amari, E. Zinner und U. Ott (2009).  Publications of the Astronomical Society of Australia 26, 278-283.

"He and Ne ages of large presolar silicon carbide grains: Solving the recoil problem". U. Ott, P.R. Heck, F. Gyngard, R. Wieler, F. Wrobel, S. Amari  und E. Zinner E. (2009).  Publications of the Astronomical Society of Australia 26, 297-302.

Edelgase und Stickstoff in ozeanischen Inselbasalten (OIB)

Wir haben Edelgas- und Stickstoffhäufigkeiten in OIB-Proben einschließlich der isotopischen Zusammensetzung bestimmt. Die Systematik von Helium-, Ar- und Xe-Isotopen liegt im Bereich von Literaturdaten, zeigen aber auch die Bedeutung von Recycling und Luft-Kontamination. Aufgrund unserer Daten schlagen wir für die Isotopen-Zusammensetzung des Stickstoffs im Erdmantel einen Wert von  delta ¹⁵N einen Wert von -25 ‰ vor (delta ¹⁵N  ist die Abweichung des ¹⁵N/¹⁴N-Verhältnisses vom Wert des Luftstickstoffs).

"Noble gas and nitrogen isotopic components in Oceanic Island Basalts". R.K. Mohapatra, D. Harrison, U. Ott, J.D. Gilmour und M. Trieloff  (2009).  Chemical Geology 266, 29-37.

Edel-Metall-Nuggets - die ältesten überlebenden Kondensate des Sonnensystems?

Bei der Isolierung präsolarer Siliziumkarbid-Körner haben wir im säureresistenten Rückstand Edelmetall-Nuggets mit Größen im Submikrometer-Bereich gefunden. Die Größenverteilung ist log-normal, und Morphologie und chemische Zusammensetzung deuten auf einen Kondensations-Ursprung hin. Dies folgt vor allem aus der Verbindung strukturell inkompatibler Elemente. Die Häufigkeitsverhältnisse, in denen sie vorkommen, entspricht den Voraussagen von Gleichgewichts-Kondensations-Modellen für den solaren Nebel im Temperaturbereich zwischen 1620 und 1450 K. Die Daten erlauben weiterhin eine Abschätzung für die Abkühlrate des solaren Nebels, die in diesem Temperaturbereich bei weniger als 0.5 K pro Jahr gelegen haben muss.

Raster-Elektronen-Mikoskop-Aufnahme eines größeren Edelmetall-Nuggets
(T. Berg)
 

Kollaboration mit Universität Mainz (Institut für Physik) und Forschungsinstitut und Naturkundemuseum Senckenberg (Frankfurt).

"Direct evidence for condensation in the early solar system and implications for nebular cooling rates". T. Berg, J. Maul, G. Schönhense, E. Marosits, P. Hoppe, U. Ott und H. Palme (2009). Astrophysical Journal Letters 702, L172-L176.

"Die älteste Materie des Sonnensystems". Th. Berg, U. Ott und H. Palme (2010). Sterne und Weltraum 5/2010, 28-37.

Landschaftsevolution in der Antarktis

Atmosphäre und Magnetfeld der Erde bilden einen Schutzschild gegen die komische Strahlung, perfekt ist dieser jedoch nicht. Insbesondere in großer Höhe und hohen geographischer Breite treffen hinreichend viele energiereiche sekundäre Teilchen der kosmischen Strahlung auf, dass in nachweisbaren Mengen durch Spallationsreaktionen kosmogene Nuklide gebildet werden. Nachweisbar sind vor allem auf diese Art gebildete Radionuklide. Komplementäre Information kann über Edelgas-Isotope gewonnen werden, da diese in natürlichen Gesteinen nur in extrem niedriger Häufigkeit vorkommen. Die Messungen erlauben die Bestimmung von Oberflächenaltern und Erosionsraten.

Zusammen mit Kollegen der Universität Köln haben wir entsprechende Untersuchungen an Proben aus Queen Maud Land (Ost-Antarktis) durchgeführt. Die radioaktiven Produkte ¹⁰Be und ²⁶Al wurden von den Kollegen mittels Beschleuniger-Massenspektrometrie an der ETH Zürich gemessen, während wir die Häufigkeit von stabilem kosmogen gebildeten ²¹Ne bestimmten. Besonders bemerkenswert sind die Ergebnisse für die Proben aus dem Bereich "Petermann Ketten", wo Minimum-Oberflächen-Bestrahlungsalter von über 8 Millionen Jahren gefunden wurden und Erosionsraten teilweise geringer als 5 cm pro Million Jahre gewesen sein müssen. Basierend auf dem Argument, dass solch geringe Erosion nur unter extrem kalten und trockenen Bedingungen möglich ist, schließen wir eine vermutete längere Warm-Periode in den letzten 8 Millionen Jahren für dieses Gebiet aus.
 

Karte von Queen Maud Land. Basierend auf Antarctic Digital Database, Scientific Committee on Antarctic Research (2009)

"Glaciation history of Queen Maud Land (Antarctica) reconstructed from in-situ produced cosmogenic ¹⁰Be, ²⁶Al and ²¹Ne".  M. Altmaier, U. Herpers, G. Delisle, S. Merchel und U. Ott (2010).  Polar Science 4, 42-61.