Die Sonne spendet der Erde weit mehr als Licht und Wärme, sie ist auch eine Reisende. Gemeinsam mit ihren Planeten umkreist sie das Zentrum der Milchstraße und durchquert dabei völlig unterschiedliche Regionen der Galaxis. Zwei NASA-geförderte Studien zeigen nun, dass diese kosmische Wanderung Spuren im Erdklima hinterlassen haben könnte und dass die wilde Jugend unseres Sterns womöglich sogar darüber entschied, ob auf der frühen Erde flüssiges Wasser und damit Leben möglich war.
Um die Erde vor der harten Strahlung aus den Tiefen des Alls zu schützen, spannt die Sonne eine unsichtbare Schutzblase auf. Ihr beständiger Strom geladener Teilchen, der Sonnenwind, bläht eine riesige Region auf, die Heliosphäre, die weit über die Bahnen aller Planeten hinausreicht und einen Großteil der energiereichen kosmischen Strahlung abschirmt. Diese Blase ist jedoch kein starres Gebilde, denn ihre Größe hängt vom Gegendruck der Umgebung ab. Zieht das Sonnensystem durch dünnes interstellares Gas, dehnt sich die Heliosphäre weit aus. Trifft es dagegen auf eine dichte, kalte Wolke aus Gas und Staub, wird der Schutzschild zusammengepresst. Genau solche Begegnungen haben Forscher des NASA-Zentrums SHIELD nun mit Computermodellen rekonstruiert, indem sie den Weg der Heliosphäre durch die Galaxis über Jahrmillionen zurückverfolgten.
Das Ergebnis der Modellrechnungen ist bemerkenswert konkret. In den vergangenen Jahrmillionen durchquerte das Sonnensystem demnach mindestens dreimal extrem kalte, dichte Wolken, und zwar vor etwa zwei bis drei, sechs bis sieben sowie 13 bis 14 Millionen Jahren. Der Druck dieser Wolken könnte die Heliosphäre zeitweise so stark komprimiert haben, dass sie kleiner wurde als die Erdbahn. Unser Planet hätte damit vorübergehend außerhalb der schützenden Blase gelegen, direkt dem interstellaren Medium und erhöhter kosmischer Strahlung ausgesetzt. Auffällig ist, dass Wissenschaftler in Tiefseesedimenten, im Schnee der Antarktis und sogar in Mondproben chemische Elemente gefunden haben, die mit interstellarem Staub in Verbindung gebracht werden und aus genau diesen Zeiträumen stammen.
Für die Klimageschichte eröffnet dieser Befund eine ungewohnte Perspektive, wie die NASA in ihrer Vorstellung der Ergebnisse betont. Statt die Ursachen vergangener Klimaschwankungen ausschließlich auf der Erde selbst zu suchen, rückt nun die veränderliche kosmische Umgebung des Planeten in den Blick. Eine geschrumpfte Heliosphäre hätte mehr interstellares Material und mehr hochenergetische Teilchen bis in die Erdatmosphäre vordringen lassen, was deren Chemie und Wasserdampfgehalt beeinflussen und so zu Klimaveränderungen bis hin zu Kaltphasen beigetragen haben könnte. Bewiesen ist dieser Zusammenhang noch nicht, doch die zeitliche Übereinstimmung von Wolkenpassagen, Staubspuren und Klimaumbrüchen liefert der Forschung eine überprüfbare Arbeitshypothese, die sich mit weiteren Sediment- und Eisbohrkernen testen lässt.
Die zweite Studie blickt noch viel weiter zurück und widmet sich einem der hartnäckigsten Paradoxa der Planetenforschung. In ihrer Frühzeit vor rund vier Milliarden Jahren leuchtete die Sonne deutlich schwächer als heute, die Erde hätte demnach ein gefrorener Eisball sein müssen. Geologische Zeugnisse belegen jedoch flüssiges Wasser und damit lebensfreundliche Temperaturen. Einen Lösungsansatz liefern junge sonnenähnliche Sterne in der Milchstraße, die sich wie tobende Kleinkinder verhalten: Daten des ausgemusterten Weltraumteleskops Kepler zeigen, dass solche Sterne nahezu täglich gewaltige Superflares abfeuern, Strahlungsausbrüche, die energiereiche Teilchen in alle Richtungen schleudern. Verhielt sich die junge Sonne genauso, prasselte auf die Uratmosphäre der Erde ein permanenter Teilchenhagel nieder, und genau dieser könnte den entscheidenden Unterschied gemacht haben.
Um die Idee zu prüfen, stellte das Team um den NASA-Forscher Vladimir Airapetian die Uratmosphäre im Labor nach. In einer versiegelten Kammer mischten die Wissenschaftler molekularen Stickstoff, Ammoniak, Kohlendioxid und Kohlenmonoxid und beschossen das Gasgemisch anschließend mit Protonen, um den Teilchenstrom der Superflares zu simulieren. Das Bombardement setzte eine Kette chemischer Reaktionen in Gang, an deren Ende unter anderem Lachgas entstand, ein Treibhausgas, das Wärme rund 300 Mal wirksamer speichert als Kohlendioxid. Schon vergleichsweise geringe Mengen davon hätten ausgereicht, um die junge Erde trotz der lichtschwachen Sonne über dem Gefrierpunkt zu halten. Die tobende Jugend unseres Sterns wäre damit kein zerstörerisches Kapitel gewesen, sondern ausgerechnet die Voraussetzung dafür, dass sich auf der Erde überhaupt Leben entwickeln konnte.
Zusammengenommen zeichnen beide Arbeiten, deren Kernstück am 21. August in der Fachzeitschrift Annual Review of Astronomy and Astrophysics erschien, ein ungewohntes Bild unseres Heimatsterns. Die Sonne erscheint darin nicht als konstante Lichtquelle im Hintergrund der Erdgeschichte, sondern als dynamischer Akteur, dessen Vergangenheit und dessen Reiseroute durch die Milchstraße das Schicksal der Erde mitbestimmten. Für die Zukunft ergeben sich daraus konkrete Forschungsaufträge: Präzisere Messungen interstellarer Staubablagerungen sollen klären, wie lange die Erde jeweils ungeschützt war, und verbesserte Klimamodelle sollen prüfen, welche Temperatureffekte solche Episoden tatsächlich auslösen konnten. Sicher ist schon jetzt, dass die Grenze zwischen Astronomie und Klimaforschung durchlässiger wird, denn die Geschichte des Erdklimas beginnt offenbar nicht an der Obergrenze der Atmosphäre, sondern tief in der Galaxis.