In einem Labor der University of Sydney entsteht derzeit etwas, das sonst nur in den fernsten Winkeln des Universums zu finden ist: kosmischer Staub. Was in Glasröhren unter Hochspannung schimmert, ist kein dekorativer Effekt, sondern ein präzise hergestelltes Abbild jener Partikel, aus denen Sterne, Planeten – und letztlich auch wir selbst – hervorgehen.

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Dass wir „aus Sternenstaub“ bestehen, ist wissenschaftlich belegt. Während Wasserstoff und ein Teil des Heliums kurz nach dem Urknall entstanden, werden schwerere Elemente wie Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff oder Eisen im Inneren von Sternen durch Kernfusion gebildet. Bei ihrem Tod – etwa in Supernova-Explosionen – schleudern Sterne diese Elemente ins All. Aus solchem angereicherten Gas und Staub entstand auch unser Sonnensystem.

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Hinter dem Projekt steht die Doktorandin Linda Losurdo. Gemeinsam mit ihrem Betreuer David McKenzie ist es ihr gelungen, Sternenstaub unter kontrollierten Bedingungen im Labor zu synthetisieren. Die Ergebnisse wurden im Fachjournal Astrophysical Journal veröffentlicht. Für die Astronomie eröffnet das neue Möglichkeiten, die Entstehungsgeschichte von Materie im All besser zu verstehen.

Die Anfänge kosmischer Materie

Kohlenstoffhaltiger Sternenstaub bildet sich unter extremen Bedingungen – etwa in den äußeren Hüllen sogenannter asymptotischer Riesensterne oder im Material von Supernova-Explosionen. Dort verbinden sich einfache Atome wie Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff (CHON-Elemente) zu komplexen, netzwerkartigen Strukturen. Diese winzigen Partikel treiben später durch interstellare Wolken, werden weiter verändert und sind Bausteine für neue Sternensysteme.

Solcher Staub findet sich nicht nur in fernen Galaxien, sondern auch vergleichsweise nahe: in Kometen, Asteroiden und kohlenstoffreichen Meteoriten. Proben von Himmelskörpern wie Bennu oder Ryugu haben gezeigt, wie vielfältig und komplex diese organischen Netzwerke sind. Doch wie genau sie entstanden sind – durch energiereichen Teilchenbeschuss, UV-Strahlung oder spätere Erwärmung – lässt sich bislang nur schwer auseinanderhalten.

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Ein Mini-Kosmos im Glas

Um diese Prozesse greifbar zu machen, simulierte das Team in Sydney stellare Bedingungen im Kleinformat. In speziellen Glasröhren wurde zunächst nahezu vollständiges Vakuum erzeugt. Anschließend füllten die Forscher eine exakt definierte Gasmischung ein, unter anderem mit Kohlenstoff-, Sauerstoff- und Stickstoffverbindungen.

Durch das Anlegen von rund 10.000 Volt entstand ein Plasma, ein energiereicher Materiezustand, in dem Moleküle aufbrechen und sich neu zusammensetzen. Auf Siliziumträgern bildete sich schließlich eine dünne Schicht künstlichen Sternenstaubs: amorphe, kohlenstoffreiche Netzwerke, die den im All beobachteten Materialien entsprechen.

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Entscheidend ist dabei nicht nur die Herstellung selbst, sondern die Kontrolle der Bedingungen. Das Team unterscheidet gezielt zwischen zwei Prozessen: dem Teilchenbeschuss während der Entstehung des Staubs und einer nachträglichen thermischen Veränderung, dem sogenannten Annealing. Genau hier setzt die neue Analyse an.

Der Infrarot-Fingerabdruck

Da Astronomen Staub in fernen Regionen nicht direkt untersuchen können, nutzen sie Infrarotspektroskopie. Jedes Molekül absorbiert und emittiert Licht in charakteristischen Mustern, wie ein chemischer Fingerabdruck.

Bemerkenswert ist: Die im Labor erzeugten Partikel zeigen Infrarot-Signaturen, die mit Beobachtungen aus dem All übereinstimmen. Damit entsteht erstmals eine systematische Referenzdatenbank. Mithilfe einer Hauptkomponentenanalyse (PCA) konnte das Team zeigen, dass sich zwei zentrale Einflussfaktoren klar unterscheiden lassen: Die erste Hauptkomponente korreliert mit der Intensität des Ionenbeschusses während der Bildung, die zweite mit der späteren Temperaturbehandlung.

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Diese statistische Trennung erlaubt es, aus gemessenen Spektren Rückschlüsse auf die Entstehungsbedingungen zu ziehen, ein wichtiger Schritt, um die Geschichte kosmischer Staubpartikel zu rekonstruieren.

Neue Werkzeuge für das James-Webb-Teleskop

Die Bedeutung dieser Arbeit wächst mit den Daten moderner Weltraumteleskope. Das James-Webb-Weltraumteleskop liefert hochaufgelöste Infrarotspektren aus Sternentstehungsregionen und fernen Galaxien. Doch je detaillierter die Daten, desto größer die Herausforderung, sie richtig zu deuten.

Hier fungiert der Laborstaub als eine Art Eichmaß. Weil die Zusammensetzung und die Herstellungsbedingungen exakt bekannt sind, können astronomische Beobachtungen mit den Spektren aus Sydney abgeglichen werden. Künftig soll eine umfassende Datenbank entstehen, die sich mit Methoden des maschinellen Lernens auswerten lässt. Ziel ist es, automatisch zu erkennen, ob Staubpartikel eher durch energiereichen Teilchenbeschuss oder durch Wärmeeinwirkung geprägt wurden.

Ein erster Schritt – kein Ersatz für echte Proben

Auch externe Fachleute bewerten die Arbeit als wichtigen Fortschritt. Jan Leitner vom Max-Planck-Institut für Chemie sieht in den synthetischen Proben eine wertvolle Referenz für die Interpretation astronomischer Spektren. Zugleich betont er, dass Laboranaloga echte Proben aus dem All nicht vollständig ersetzen können.

Tatsächlich bleibt die direkte Analyse von Asteroidenmaterial einzigartig. Doch während Raumfahrtmissionen selten und teuer sind, lassen sich Experimente im Labor wiederholen und systematisch variieren.