Vor etwa zwei Millionen Jahren war die Erde ein Ort, an dem unsere frühen menschlichen Vorfahren neben Säbelzahnkatzen, Mastodonten und riesigen Nagetieren lebten. Zu dieser Zeit befand sich die Erde in einer tiefen Eiszeit, mit weiteren Eiszeiten, die sich bis vor etwa 12.000 Jahren abwechselten. Wissenschaftler vermuten, dass Eiszeiten aus verschiedenen Gründen auftreten, darunter Neigung und Rotation des Planeten, Verschiebung tektonischer Platten, Vulkanausbrüche und Kohlendioxidwerte in der Atmosphäre. Aber was wäre, wenn diese drastischen Veränderungen nicht nur das Ergebnis der irdischen Umwelt, sondern auch der Position der Sonne in der Galaxie wären?

Neue Entdeckung
In einer neuen Arbeit, die in der Zeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht wurde, haben Forscher unter der Leitung der Boston University Beweise dafür gefunden, dass das Sonnensystem vor etwa zwei Millionen Jahren auf eine so dichte interstellare Wolke gestoßen ist, dass sie den Sonnenwind stören konnte. Sie glauben, dass dies zeigt, wie die Position der Sonne im Weltraum die Geschichte der Erde mehr prägen kann als bisher angenommen.

Unser gesamtes Sonnensystem wird von einem Plasmaschild geschützt, der von der Sonne ausgeht, bekannt als Heliosphäre. Es besteht aus einem konstanten Strom geladener Teilchen, genannt Sonnenwind, der sich weit über Pluto hinaus erstreckt und die Planeten in dem umhüllt, was die NASA als "gigantische Blase" bezeichnet. Die Heliosphäre schützt uns vor Strahlung und galaktischen Strahlen, die die DNA verändern könnten, und Wissenschaftler glauben, dass dies einer der Gründe ist, warum sich das Leben auf der Erde so entwickelt hat, wie es ist. Laut der neuesten Arbeit hat die kalte Wolke die Heliosphäre so komprimiert, dass die Erde und andere Planeten im Sonnensystem kurzzeitig außerhalb ihres Einflusses lagen.

Quantitative Forschung
"Diese Arbeit zeigt zum ersten Mal quantitativ, dass es zu einer Begegnung zwischen der Sonne und etwas außerhalb des Sonnensystems kam, das das Klima der Erde beeinflussen könnte," sagt Merav Opher, Astrophysikerin an der Boston University und Hauptautorin der Arbeit.

Ihre Modelle haben unser wissenschaftliches Verständnis der Heliosphäre und wie die Struktur dieser Blase durch den Sonnenwind geformt wird, der mit dem interstellaren Medium kollidiert—dem Raum in unserer Galaxie zwischen den Sternen und außerhalb der Heliosphäre. Ihre Theorie ist, dass die Heliosphäre wie ein aufgeblasenes Croissant geformt ist, eine Idee, die die Gemeinschaft der Weltraumphysiker erschüttert hat. Jetzt wirft sie ein neues Licht darauf, wie die Heliosphäre und die Bewegung der Sonne durch den Weltraum die Atmosphäre der Erde beeinflussen können.

"Sterne bewegen sich, und jetzt zeigt diese Arbeit nicht nur, dass sie sich bewegen, sondern dass sie auf drastische Veränderungen stoßen," sagt Opher, Professorin für Astronomie am College of Arts and Sciences der Boston University und Mitglied des Zentrums für Weltraumphysik der Universität. Sie arbeitete während eines einjährigen Stipendiums am Harvard Radcliffe Institute an der Studie.

Blick zurück durch die Zeit
Opher und ihre Kollegen haben buchstäblich durch die Zeit zurückgeschaut und mit Hilfe ausgefeilter Computermodelle visualisiert, wo die Sonne vor zwei Millionen Jahren positioniert war—und damit die Heliosphäre und den Rest des Sonnensystems. Sie haben auch die Bahn der Lokalen Kette kalter Wolken, einer Reihe großer, dichter, sehr kalter Wolken, die hauptsächlich aus Wasserstoffatomen bestehen, kartiert. Ihre Simulationen zeigten, dass eine der Wolken nahe dem Ende dieser Kette, genannt Lokale Schleifen-Kaltwolke, mit der Heliosphäre kollidiert sein könnte.

Wenn dies geschah, sagt Opher, wäre die Erde vollständig dem interstellaren Medium ausgesetzt gewesen, wo sich Gas und Staub mit übrig gebliebenen atomaren Elementen explodierter Sterne, einschließlich Eisen und Plutonium, vermischen. Normalerweise filtert die Heliosphäre die meisten dieser radioaktiven Teilchen. Aber ohne Schutz können sie leicht die Erde erreichen. Laut der Arbeit stimmt dies mit geologischen Beweisen überein, die erhöhte Isotope von 60Fe (Eisen 60) und 244Pu (Plutonium 244) im Ozean, antarktischem Schnee und Eiskernen—und auf dem Mond—aus dem gleichen Zeitraum zeigen. Der Zeitpunkt passt auch zu Temperaturaufzeichnungen, die auf eine Abkühlungsphase hinweisen.

"Nur selten beeinflusst unsere kosmische Nachbarschaft außerhalb des Sonnensystems das Leben auf der Erde," sagt Avi Loeb, Direktor des Instituts für Theorie und Berechnung an der Harvard University und Mitautor der Arbeit. "Es ist aufregend zu entdecken, dass unser Durchgang durch dichte Wolken vor einigen Millionen Jahren die Erde einem viel höheren Fluss kosmischer Strahlen und Wasserstoffatome ausgesetzt haben könnte. Unsere Ergebnisse öffnen ein neues Fenster auf die Beziehung zwischen der Evolution des Lebens auf der Erde und unserer kosmischen Nachbarschaft."

Der äußere Druck der Lokalen Schleifen-Kaltwolke könnte die Heliosphäre kontinuierlich für mehrere hundert bis eine Million Jahre blockiert haben, sagt Opher—abhängig von der Größe der Wolke. "Aber sobald die Erde vom kalten Wolke entfernt war, umhüllte die Heliosphäre alle Planeten, einschließlich der Erde," sagt sie. Und so ist es auch heute.

Es ist unmöglich, den genauen Effekt zu kennen, den die kalte Wolke auf die Erde hatte—wie ob sie eine Eiszeit auslösen konnte. Aber es gibt noch mehrere kalte Wolken im interstellaren Medium, die die Sonne in den Milliarden Jahren seit ihrer Geburt wahrscheinlich durchquert hat, sagt Opher. Und wahrscheinlich wird sie in den nächsten Millionen Jahren oder so auf weitere treffen.

Opher und ihre Kollegen arbeiten nun daran, den Weg der Sonne vor sieben Millionen Jahren und noch weiter zurück zu verfolgen. Die Bestimmung der Position der Sonne vor Millionen von Jahren sowie der Systeme kalter Wolken ist mit den von der Europäischen Weltraumorganisation gesammelten Daten der Gaia-Mission möglich, die die größte 3D-Karte der Galaxie erstellt und einen beispiellosen Blick auf die Geschwindigkeit der Sterne bietet.

"Diese Wolke war wirklich in unserer Vergangenheit, und wenn wir durch etwas so Massives gegangen sind, waren wir dem interstellaren Medium ausgesetzt," sagt Opher. Die Auswirkungen des Überschreitens eines Weges mit so viel Wasserstoff und radioaktivem Material sind unklar, also untersuchen Opher und ihr Team am von der NASA finanzierten SHIELD (Solar wind with Hydrogen Ion Exchange and Large-scale Dynamics) DRIVE Science Center nun die Auswirkungen, die es auf die Strahlung der Erde sowie auf die Atmosphäre und das Klima haben könnte.

"Dies ist erst der Anfang," sagt Opher. Sie hofft, dass diese Arbeit die Tür zu viel mehr Forschung darüber öffnen wird, wie das Sonnensystem in der fernen Vergangenheit von äußeren Kräften beeinflusst wurde.

Quelle: Boston University