Forschende aus der Schweiz, Dänemark und Schweden haben in einem Marsmeteoriten wasserstoffreiche Bereiche dreidimensional sichtbar gemacht. Mithilfe von Neutronen- und Röntgentomografie untersuchten sie einen Abschnitt von «Black Beauty». Die Ergebnisse liefern neue Hinweise darauf, dass Wasser bereits früh mit der jungen Marskruste reagierte.
Neutronen machen Wasserstoff im Marsgestein sichtbar
Der Mars gilt heute als trockener und unwirtlicher Planet. Forschungsergebnisse von Raumsonden und Rovern zeigen jedoch, dass auf seiner Oberfläche in der Vergangenheit Wasser vorhanden war. Ein Teil davon dürfte mit Mineralen reagiert und chemische Spuren im Gestein hinterlassen haben.
Wie dieses Wasser einst verteilt war und wann die entsprechenden Reaktionen stattfanden, ist bislang nur teilweise geklärt. Ein internationales Forschungsteam hat deshalb einen besonderen Blick auf die Vergangenheit des roten Planeten geworfen: Es untersuchte einen Marsmeteoriten, der vor Millionen von Jahren auf die Erde gelangte.
Bei der Probe handelt es sich um NWA 7034, besser bekannt als «Black Beauty». Der rund 320 Gramm schwere Meteorit enthält Gesteinsmaterial, das bis zu 4,48 Milliarden Jahre alt ist und damit zu den ältesten bekannten Fragmenten der Marskruste gehört.
Der untersuchte Abschnitt des Meteoriten war lediglich 12 × 8 × 2 Millimeter gross. Trotzdem konnten die Forschenden darin erstmals grössere, klar abgegrenzte wasserstoffreiche Bereiche dreidimensional und zerstörungsfrei darstellen.
Dafür kombinierten sie zwei bildgebende Verfahren: Neutronen- und Röntgentomografie. Die Neutronenmessungen wurden an der Schweizer Spallations-Neutronenquelle SINQ des Paul Scherrer Instituts (PSI) durchgeführt.
Zwei Tomografien liefern ein vollständigeres Bild
Neutronen reagieren besonders empfindlich auf Wasserstoff. Dadurch können sie Bestandteile sichtbar machen, die bei einer Röntgenuntersuchung nur wenig Kontrast erzeugen.
Röntgenstrahlen eignen sich dagegen besonders gut, um die Verteilung schwererer Elemente wie Silizium oder Eisen abzubilden. Durch die Kombination beider Verfahren konnten die Forschenden unterschiedliche Eigenschaften des Meteoriten untersuchen und anschliessend zu einem gemeinsamen dreidimensionalen Bild zusammenführen.
Bei der Röntgentomografie waren im dichten Gestein mehrere grössere Bereiche mit geringer Dichte zu erkennen. Erst die Neutronenmessungen zeigten, dass diese Bereiche nicht einfach leer sind, sondern wasserstoffhaltiges Material enthalten.
Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass die wasserstoffreichen Signaturen nicht gleichmässig im Meteoriten verteilt sind. Stattdessen treten sie in konzentrierten, makroskopischen Bereichen auf.
Nach Angaben des Forschungsteams machen diese sogenannten Hotspots rund elf Prozent des gesamten Wassergehalts der untersuchten Probe aus. Die Ergebnisse wurden im Fachjournal Geophysical Research Letters veröffentlicht.
«Black Beauty» als geologische Zeitkapsel
Der Marsmeteorit ist kein einheitlicher Gesteinsblock. «Black Beauty» besteht aus einer sogenannten Brekzie, also aus Gesteinsfragmenten unterschiedlicher Herkunft und unterschiedlichen Alters, die durch geologische Prozesse miteinander verbunden wurden.
Mehrere gewaltige Meteoriteneinschläge auf dem Mars dürften dazu beigetragen haben, dass Gestein verschiedener Schichten zerbrochen, aufgewühlt und teilweise aufgeschmolzen wurde. Später wurden die unterschiedlichen Fragmente wieder miteinander verbunden.
Ein weiterer grosser Einschlag schleuderte das Material schliesslich mit genügend Energie aus der Marskruste ins All. Nach langer Reise gelangte der Meteorit auf die Erde und wurde in der marokkanischen Sahara gefunden.
Damit enthält «Black Beauty» Material aus verschiedenen Abschnitten der frühen Marsgeschichte. Besonders interessant sind die ältesten Gesteinsfragmente, in denen die Forschenden die wasserstoffreichen Bereiche konzentriert fanden.
Die Beobachtungen sprechen dafür, dass Wasser bereits sehr früh mit der jungen Marskruste in Kontakt kam. Durch geologische Prozesse wie vulkanische Aktivität oder Meteoriteneinschläge könnte Wasser mit Gestein reagiert haben. Dabei können hydratisierte Minerale entstehen, in denen Wasserstoff langfristig gebunden bleibt.
Neue Methode für Marsproben
Die Untersuchung baut auf früheren Analysen von «Black Beauty» auf. Dabei wurde unter anderem der Wassergehalt des Meteoriten bestimmt, indem die Probe kontrolliert erhitzt und das dabei freigesetzte Wasser analysiert wurde.
Andere Untersuchungen konzentrierten sich auf sehr kleine Bereiche des Meteoriten und analysierten deren Mineralzusammensetzung unter dem Mikroskop. Diese Methoden konnten zwar Hinweise auf Wasser beziehungsweise wasserhaltige Minerale liefern, aber die räumliche Verteilung innerhalb eines grösseren Gesteinsvolumens blieb weitgehend unklar.
Genau hier liegt die Bedeutung der neuen Untersuchung. Mit der Kombination aus Neutronen- und Röntgentomografie konnten die Forschenden Wasserstoffsignaturen dreidimensional erfassen, ohne die Probe zu zerstören.
Die Methode könnte künftig auch bei anderen Gesteinsproben eingesetzt werden. Besonders interessant wäre eine Anwendung auf Proben, die von zukünftigen Marsmissionen zur Erde gebracht werden.
Am PSI stehen dafür sowohl die Neutronentomografie an der SINQ als auch hochauflösende Röntgentomografie an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz (SLS) zur Verfügung. Damit verfügt das Forschungsinstitut über die Infrastruktur, um vergleichbare Untersuchungen an weiteren ausserirdischen Gesteinsproben durchzuführen.
Die aktuelle Studie untersucht zwar nur einen wenige Millimeter grossen Abschnitt von «Black Beauty». Sie liefert dennoch neue Hinweise auf die frühe Entwicklung des Mars und zeigt zugleich, wie moderne zerstörungsfreie Bildgebung verborgene Spuren von Wasser in Milliarden Jahre altem Gestein sichtbar machen kann.
