Authors:	Berg, Thomas
Title:	Strukturelle, chemische und isotopische Analysen nanoskaliger präsolarer und früher solarer Kondensate
Online publication date:	24-Jun-2009
Year of first publication:	2009
Language:	german
Abstract:	Neben astronomischen Beobachtungen mittels boden- und satellitengestützer Instrumente existiert ein weiterer experimenteller Zugang zu astrophysikalischen Fragestellungen in Form einer Auswahl extraterrestrischen Materials, das für Laboruntersuchungen zur Verfügung steht. Hierzu zählen interplanetare Staubpartikel, Proben, die von Raumfahrzeugen zur Erde zurückgebracht wurden und primitive Meteorite. Von besonderem Interesse sind sog. primitive kohlige Chondrite, eine Klasse von Meteoriten, die seit ihrer Entstehung im frühen Sonnensystem kaum verändert wurden. Sie enthalten neben frühem solarem Material präsolare Minerale, die in Sternwinden von Supernovae und roten Riesensternen kondensiert sind und die Bildung unseres Sonnensystems weitgehend unverändert überstanden haben. Strukturelle, chemische und isotopische Analysen dieser Proben besitzen demnach eine große Relevanz für eine Vielzahl astrophysikalischer Forschungsgebiete. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden Laboranalysen mittels modernster physikalischer Methoden an Bestandteilen primitiver Meteorite durchgeführt. Aufgrund der Vielfalt der zu untersuchenden Eigenschaften und der geringen Größen der analysierten Partikel zwischen wenigen Nanometern und einigen Mikrometern mussten hierbei hohe Anforderungen an Nachweiseffizienz und Ortsauflösung gestellt werden. Durch die Kombination verschiedener Methoden wurde ein neuer methodologischer Ansatz zur Analyse präsolarer Minerale (beispielsweise SiC) entwickelt. Aufgrund geringer Mengen verfügbaren Materials basiert dieses Konzept auf der parallelen nichtdestruktiven Vorcharakterisierung einer Vielzahl präsolarer Partikel im Hinblick auf ihren Gehalt diagnostischer Spurenelemente. Eine anschließende massenspektrometrische Untersuchung identifizierter Partikel mit hohen Konzentrationen interessanter Elemente ist in der Lage, Informationen zu nukleosynthetischen Bedingungen in ihren stellaren Quellen zu liefern. Weiterhin wurden Analysen meteoritischer Nanodiamanten durchgeführt, deren geringe Größen von wenigen Nanometern zu stark modifizierten Festkörpereigenschaften führen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine quantitative Beschreibung von Quanteneinschluss-Effekten entwickelt, wie sie in diesen größenverteilten Halbleiter-Nanopartikeln auftreten. Die abgeleiteten Ergebnisse besitzen Relevanz für nanotechnologische Forschungen. Den Kern der vorliegenden Arbeit bilden Untersuchungen an frühen solaren Partikeln, sog. refraktären Metall Nuggets (RMN). Mit Hilfe struktureller, chemischer und isotopischer Analysen, sowie dem Vergleich der Ergebnisse mit thermodynamischen Rechnungen, konnte zum ersten Mal ein direkter Nachweis von Kondensationsprozessen im frühen solaren Nebel erbracht werden. Die analysierten RMN gehören zu den ersten Festkörperkondensaten, die im frühen Sonnensystem gebildet wurden und scheinen seit ihrer Entstehung nicht durch sekundäre Prozesse verändert worden zu sein. Weiterhin konnte erstmals die Abkühlrate des Gases des lokalen solaren Nebels, in dem die ersten Kondensationsprozesse stattfanden, zu 0.5 K/Jahr bestimmt werden, wodurch ein detaillierter Blick in die thermodynamische Geschichte des frühen Sonnensystems möglich wird. Die extrahierten Parameter haben weitreichende Auswirkungen auf die Modelle der Entstehung erster solarer Festkörper, welche die Grundbausteine der Planetenbildung darstellen. Besides astronomical observations by means of ground- and satellite-based instruments another experimental approach to astrophysical questions exists in the form of a variety of extraterrestrial materials that are available for laboratory analysis. These are interplanetary dust particles (IDPs), samples that were returned to earth by spacecraft, and primitive meteorites. So-called primitive carbonaceous chondrites, a particular class of meteorites that experienced only marginal alteration since their formation in the early solar system are of outstanding interest. In addition to early solar system material, these bodies contain presolar minerals that formed in the stellar winds of red giant stars and the ejecta of supernovae, and survived the formation of the solar system largely unaltered. Thus, structural, chemical and isotopic analysis of these samples is highly relevant for a multiplicity of astrophysical fields of research. In the framework of this dissertation, laboratory studies of components of primitive meteorites were carried out based on physical state-of-the-art analysis methods. Due to the diversity of characteristics and the small sizes of the analyzed particles between some nanometers and a few micrometers, high demands were put on detection efficiency and lateral resolution. The combination of several methods led to a new methodological approach concerning the investigation of presolar minerals like SiC. Given the constraint of small amounts of available sample material, this concept is based on the parallel nondestructive precharacterization of a large number of presolar particles with regard to contents of diagnostic trace elements. Subsequent mass spectrometric analysis with isotopic resolution of identified particles with high concentrations of interesting elements is suited to obtain information on the nucleosynthetic conditions inside their stellar sources. In addition, studies of meteoritic nanodiamonds were performed. The small sizes of these particles of only a few nanometers lead to pronounced modifications of their solid state properties. Within this dissertation a quantitative description of quantum confinement effects, as they occur in these semiconductor nanoparticles, was developed. The deduced results are of relevance for nanotechnological research. The main point of this thesis are studies of early solar system particles, so-called refractory metal nuggets (RMN). Utilizing structural, chemical and isotopic analysis, as well as from the comparison of the results with thermodynamic calculations, direct evidence for condensation processes in the early solar nebula could be deduced for the first time. The investigated RMN are among the first solid state condensates that formed in the early solar system and seem to have never experienced any secondary alteration. Additionally, the cooling rate of the local gaseous environment of the solar nebula in which the earliest condensation processes took place could be determined for the first time as 0.5 K/year. This allows for a detailed insight into the thermodynamic history of the early solar system. The deduced parameters have far-reaching impact on models of the formation of early solar solid bodies, which represent the basic building blocks of planet formation.
DDC:	530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-4485
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-20159
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Appears in collections:	JGU-Publikationen