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Asteroiden: Vorstoß zu den Trojanern

Zum ersten Mal besucht eine Raumsonde die Trojaner des Jupiters – besondere Asteroiden, die dem Riesenplaneten auf seiner Bahn voraus- und hinterherlaufen. Die Mission untersucht gleich sieben Zielobjekte und ist vergleichsweise günstig. Vielleicht kann sie das Rätsel um die Entstehung der Planeten ergründen.
Künstlerische Darstellung einer kastenförmigen Raumsonde mit konischem Hitzeschild und zwei hexagonalen Solarpaddeln.

Update: Lucy ist am 16. Oktober 2021 planmäßig ins All gestartet.

Am 22. Februar 1906 erblickte der Heidelberger Astronom Max Wolf in einer fotografischen Aufnahme einen unscheinbaren Strich. Es handelte sich um einen extrem dunklen Asteroiden, der sich noch dazu auf einer merkwürdigen Umlaufbahn bewegte. Bis dahin waren lediglich Asteroiden im Hauptgürtel jenseits der Marsbahn bekannt. Der neue Körper aber umkreiste die Sonne beinahe auf der gleichen Bahn wie Jupiter, lief auf dessen Bahn jedoch um 60 Winkelgrad voraus. Wenige Jahre später erhielt der merkwürdige Körper den Namen Achilles, und es zeigte sich, dass es sich nur um den ersten einer großen Gruppe von Asteroiden handelte, die schließlich den Namen Trojaner erhielten. Am 16. Oktober um 11:34 Uhr (MESZ) startet mit Lucy von der NASA die erste Raumsonde, die gleich sechs der weitgehend unverstandenen Jupiter-Trojaner zum ersten Mal besuchen soll.

Bei Pluto gelernt

Eigentlich kam die Entdeckung nicht ganz unerwartet: Schon ein Jahrhundert vor Max Wolfs Fund berechnete der italienische Mathematiker Joseph-Louis Lagrange, dass sich die Kräfte eines Planeten und der Sonne auf zwei Punkten seiner Umlaufbahn ausgleichen, die diesem Planeten jeweils 60 Grad vorauslaufen oder ihm auf der Bahn folgen. Deshalb erwartete bereits Wolf viel mehr dieser Asteroiden – und er hatte Recht. Mehr als 10 500 Jupiter-Trojaner sind bis heute bekannt, Analysen deuten auf aber Hunderttausende bislang noch unentdeckter Objekte hin.

Die neue Sonde Lucy hat einen langen Ritt vor sich: Nach ihrem Start soll sie zunächst einen Asteroiden des Hauptgürtels und dann sechs Trojaner an den Lagrange-Punkten L4 und L5 besuchen, und das innerhalb von rund zwölf Jahren. Trotz dieser langen Flugdauer ist die Mission eine vergleichsweise günstige Discovery-Mission, welche die NASA gerade 148 Millionen Dollar kostet. Eines der drei Instrumente an Bord, das Infrarotspektrometer L'TES, flog fast baugleich auf der Asteroidensonde OSIRIS-Rex mit, zwei weitere Kameras bei der Plutosonde New Horizons. Auch die Begegnung mit ihren sieben Zielen läuft in der Manier von New Horizons ab: Lucy wird mit zwei Swingby-Manövern an der Erde zunächst ungefähr auf Kurs gebracht, bevor die Kameras an Bord auf das jeweils nächste Ziel gerichtet werden, um dessen nur ungenau bekannten Orbit näher zu bestimmen. Diese optische Navigation hat bei New Horizons gut funktioniert, und zwar nicht nur bei Pluto, sondern im Januar 2019 auch bei Arrokoth im Kuipergürtel, der eine ähnlich dunkle Oberfläche aufweist wie Lucys Ziele.

Sechs Trojaner und ein Anthropologe

Ihre Fähigkeiten soll Lucy zunächst bei Donaldjohanson unter Beweis stellen. Der nur vier Kilometer große Asteroid im Hauptgürtel ist der kleinste auf der Reise – und wurde erst vor wenigen Jahren nach dem Entdecker des Frühmenschenskeletts Lucy aus Ostafrika benannt, das auch Namensgeber der NASA-Mission ist. Dann geht es weiter zur ersten Gruppe der Trojaner, die vielleicht der Planetenforschung ähnliche Einblicke liefern wird wie Lucys Skelett der Anthropologie: Im August 2027 soll die Sonde zunächst am 64 Kilometer großen Eurybates vorbeifliegen. Er gehört zur einzigen bekannten Kollisionsfamilie unter den Trojanern, ist also ein Trümmerstück eines größeren Himmelskörpers und entstand durch einen Zusammenstoß, der sich zurückverfolgen lässt. Mit dem Hubble-Teleskop entdeckte das Missionsteam zuletzt einen kaum einen Kilometer großen Mond, der sich möglicherweise auch während des Zusammenstoßes abspaltete.

Die Raumsonde Lucy erkundet Jupiter-Trojaner | Im Jahr 2021 macht sich die US-Raumsonde Lucy auf den Weg zu den Trojaner-Asteroiden auf der Umlaufbahn von Jupiter. Im August 2027 soll sie ihr erstes Zielobjekt, den Asteroiden Eurybates, erreichen. Die Jupiter-Trojaner umrunden die Sonne auf der gleichen Bahn wie der Riesenplanet und laufen ihm dabei entweder um 60 Grad Abstand voraus oder im gleichen Abstand hinterher.

Nur 34 Tage später folgt der wohl anspruchsvollste Vorbeiflug der Tour: Mit einem Durchmesser von 21 Kilometern ist Polymele nicht nur der kleinste der besuchten Trojaner, sondern auch ein besonders dunkler, der aus der Sicht der anfliegenden Sonde dazu nur unter einem flachen Winkel von der Sonne beleuchtet wird. Spektroskopischen Messungen zufolge gehört Polymele zu den seltenen P-Typ-Asteroiden, die nie zuvor von Raumsonden besucht worden sind.

Einige Monate später, im April 2028, folgt ein weiterer Exot: Der 34 Kilometer große Leucus scheint sich extrem langsam um seine Achse zu drehen. Zumindest deutet die schwankende Helligkeit des Trojaners darauf hin, dass er der Sonne nur alle 447 Tage die gleiche Seite zuwendet. Auch Leucus ist dazu extrem dunkel und dürfte nur schwer mittels optischer Navigation anzuvisieren sein.

Im Anschluss an die Begegnung folgt das größte Manöver mit den Bordtriebwerken von Lucy, das vor allem die Bahnebene der Sonde massiv, um ganze 15 Grad, verändert. Denn die Trojaner kreisen in einer ausgedehnten Wolke um die Sonne und damit auch weit ober- und unterhalb der Ebene der Planetenbahnen. Hier wird die Sonde im November 2028 auf den 51 Kilometer großen Orus treffen, bevor eine lange und fast ereignislose Zwischenetappe folgt. Jetzt nämlich vollführt Lucy einen Rücksturz zur Erde, wo ein dritter Swingby am Blauen Planeten ansteht. Das Manöver beschleunigt die Sonde auf eine mehr als zweijährige Reise auf die andere Seite der Jupiterbahn, in die Gruppe der Trojaner im Lagrange-Punkt L5.

Im März 2032 steht das Finale der Mission an: Lucy nähert sich nach einer Flugstrecke von insgesamt vier Milliarden Kilometern einem Trojaner-Paar an. Patroclus und Menoetius gehören wie schon Polymele zum seltenen spektralen Typ P. Sie sind mit mehr als 100 Kilometern Durchmesser beinahe Zwillinge und umrunden entsprechend einen gemeinsamen Massenschwerpunkt. Möglicherweise entstanden sie zusammen und wurden während eines Zusammenstoßes sanft voneinander getrennt, ohne völlig auseinanderzudriften.

Woher stammen die Trojaner?

Was die Planetenforscher mit Lucy verstehen wollen, ist eine kritische und dynamische Entwicklungsphase des Planetensystems. Bis vor wenigen Jahren wurde vermutet, die Planeten und die Asteroiden seien annähernd auf ihren heutigen Bahnen aus einer Gas- und Staubscheibe um die junge Sonne entstanden. Seit einigen Jahren gilt dieses Lehrbuchwissen als veraltet: Forschende entdeckten riesige Exoplaneten, die ihre jungen Sterne in äußerst geringem Abstand und auf instabilen Bahnen umkreisen, viele noch weit innerhalb des Sonnenabstands des Merkurs. Diverse Beobachtungen legten zusätzlich eine rasch zunehmende Zahl von Einschlägen vor rund vier Milliarden Jahren auf allen felsigen Oberflächen unseres Planetensystems nahe. Im Jahr 2005 gelang es dann einer Gruppe von Astrophysikern um Alessandro Morbidelli vom Observatorium der Côte d'Azur und den heutigen Lucy-Missionsleiter Hal Levison vom Southwest Research Institute in Boulder, Colorado, mit einem numerischen Modell die heutige Verteilung von Planeten und Asteroiden ganz anders zu erklären. Morbidellis Team errechnete, wie die Bahnen unserer Gasriesen Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun kurzzeitig instabil wurden, bevor sie durch gegenseitige Störkräfte nach außen wanderten.

Wenn das Nizza-Modell oder die »Große Migration« zutrifft, dürften sich die Spuren dieser Planetenwanderung an den Trojanern ablesen lassen. Denn einmal auf den Lagrange-Punkten des Jupiters gefangen, sind die Orbits von dessen Begleitern eigentlich sehr stabil. Erst als Jupiter mit dem zweitschwersten Planeten Saturn eine Resonanz entwickelte, das heißt ihre Umlaufzeiten ein ganzzahliges Vielfaches zueinander erreichten, entfalteten sich die errechneten Störkräfte. In diesem Moment dürften besonders die kleineren Körper des Sonnensystems inklusive jener des fernen Kuipergürtels durchgemischt worden sein und wurden erst danach in den heutigen Lagrange-Punkten des Jupiters gefangen. Stimmt diese Annahme, so sollten die Trojaner reich an Eis und organischem Material sein, wie die Objekte des Kuipergürtels.

Lucy sucht nach Spuren des Chaos

Viele Grundannahmen des Nizza-Modells gelten heute als akzeptiert, allerdings schuf die Erklärung wandernder Riesenplaneten neue Probleme. Eines davon ist ausgerechnet die Existenz von Mars, der Erde und der anderen kleinen Gesteinsplaneten, die durch wandernde Gasriesen eigentlich zerstört oder aus ihren Bahnen geworfen worden sein müssten. Daher wurden mittlerweile noch komplexere Modelle entwickelt. Lucy kann deren Grundannahmen jetzt prüfen: »Die Idee besteht darin, dass die Trojaner während dieser chaotischen Phase eingefangen wurden«, sagt die stellvertretende Missionsleiterin Cathy Olkin. Wenn die besuchten Trojaner sich stark voneinander unterscheiden, spricht das für eine frühe Chaosphase. Ähneln sie sich dagegen, könnten sie vielleicht doch vor Ort entstanden sein.

Von irdischen Teleskopen betrachtet lässt sich über die Trojaner nur wenig in Erfahrung bringen, doch wirken sie spektroskopisch tatsächlich eher heterogen. Manche besitzen eine völlig konturlose Oberfläche, die meisten sind sehr dunkel, und auf einigen gibt es Hinweise auf Eis und organische Verbindungen. Vielleicht sind ihre Oberflächen aber auch durch die Effekte des Weltraums, durch Kollisionen, Aufheizung und Ausgasungen derart umgestaltet worden, dass ihre wirkliche Beschaffenheit erst beim nahen Vorbeiflug zu Tage tritt.

»Das wichtigste Kriterium bei unserer Auswahl war es, möglichst unterschiedliche Trojaner anzufliegen«, sagt Cathy Olkin. Lucy ist somit eine Explorationsmission, weil sie erstmals in einen bisher unbekannten Bereich des Planetensystems vordringt. Wenn die Sonde die zwölf Jahre im All übersteht, besteht sogar Aussicht auf mehr: Die Forschenden planen, im Lauf der Mission nach weiteren Zielen am Lagrange-Punkt L5 zu suchen.

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