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Kometenforschung : Aufregend alter Sternenstaub

Kometen sind nichts weiter als schmutzige Schneebälle, die im Sonnenlicht verdampfen. Wer sich diese einfache Vorstellung bewahren möchte, sollte besser nicht weiterlesen. Allen neugierigen Naturen bieten die ersten Daten von der Raumsonde Stardust ein komplexeres Bild von den verkannten 'Schweifsternen'.
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Vorbeiflug | Eine Animation aus Einzelbildern, die Stardust beim Vorbeiflug an Wild 2 gemacht hat.
"Damit haben wir überhaupt nicht gerechnet", sagt der Astronom Donald Brownlee von der Universität Washington [1]. "Wir haben erwartet, dass die Oberfläche mehr so aussehen würde, als sei sie mit Kohlenstaub überzogen." Brownlee war nicht der einzige verblüffte Wissenschaftler, als die Raumsonde Stardust am 2. Januar 2004, nach fast fünf Jahren Flugzeit, in nur 236 Kilometern Entfernung an dem Kometen Wild 2 vorbei flog und die ersten Nahaufnahmen zur Erde funkte. Was darauf zu sehen war, passte weder zu den gängigen Vorstellungen vom Aufbau der Kometen, noch zu den Fotos, die andere Sonden zuvor von den Kometen Halley und Borelly gemacht hatten. Der Kern dieser Wanderer im Sonnensystem hatte nach dem gängigen Modell dunkel und relativ strukturlos zu sein, ein Konglomerat von Eis und Gestein, das von der eigenen Schwerkraft mühselig zusammengehalten wird. Doch so sieht Wild 2 nicht aus.

Des Kometen Kern

Zumindest ist auch dieser Komet düster: Weniger als fünf Prozent des einfallenden Lichtes strahlt er zurück. Damit gehört Wild 2 wie seine Kollegen zu den dunkelsten bekannten Objekten im Sonnensystem. Sie alle überzieht eine Art Mantel aus einem nicht flüchtigen Stoff. Das Material für die berühmte Koma und den noch berühmteren Schweif entweicht anscheinend recht kleinen Gebieten auf oder gar unter der Oberfläche.

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Wild 2 | Ein Stereobild von Wild 2. Die beiden markantesten Vertiefungen haben Astronomen wegen ihrer Form auf die Namen "linker Fuß" und "rechter Fuß" getauft.
Aber schon ist Schluss mit den Gemeinsamkeiten. Während Halley und Borelly eher lang gestreckt sind und in der Form an einen amerikanischen Football erinnern, ist Wild 2 mehr rund und flach, wie man sich ein klassisches UFO vorstellt. Von den Maßen bringt er es auf etwa 5,5 Kilometer in der Länge, 4,0 Kilometer in der Breite und 3,3 Kilometer in der Höhe. Was den Astronomen besonders auffiel und sie verwirrte, war jedoch die stark strukturierte, geradezu pockennarbige Gestalt der Oberfläche. Mulden und Senken verschiedener Größe liegen dicht an dicht. Manche fallen an ihren Rändern scharf in einem Winkel von 70 Grad nach unten ab. Handelt es sich dabei um Einschlagskrater? Oder Regionen, in denen einst Material lagerte, das inzwischen verdampft ist? Und wieso hat das ständige Abdampfen von Materie in Nähe der Sonne nicht längst die Oberfläche geglättet?

Mit Experimenten im Labor versuchen die Forscher, mögliche Antworten zu finden. Verschiedene Materialien werden beschossen und die entstehenden Krater mit den Strukturen auf dem Kometen verglichen. Danach sieht es tatsächlich so aus, dass Einschläge zumindest für einen Teil der Vertiefungen verantwortlich sein können. Und noch ein Ergebnis: Wild 2 muss ziemlich hart im Nehmen sein. Denn sein Kern hält fest zusammen. Eine klare Absage an den Gedanken, es handle sich um einen lockeren Haufen von Brocken, die hauptsächlich durch Gravitation verbunden sind. "Wir sind sicher, dass es sich um ein stabiles Material handelt, denn es lassen sich Steilhänge und spitze Erhebungen damit bilden", erklärt Brownlee.

Damit dürfte die Diskussion, was Kometen im Innersten zusammenhält, neu entfacht sein und diesmal zu differenzierteren Aussagen gelangen. Denn mag Wild 2 ein fester Klumpen sein, so trifft das wohl nicht auf alle Kometen zu. Ansonsten hätte Shoemaker-Levy seine erste Begegnung mit Jupiter im Jahre 1993 vermutlich heil überstanden. Stattdessen hat ihn der Riesenplanet aber mit seiner Gravitation in Stücke gerissen, die schließlich im nächsten Zyklus auf Jupiter einprasselten. Wie es aussieht, gibt es Kometen in verschiedenen Ausführungen.

Rätselhafter Staub

Während aus den größten Vertiefungen von Wild 2 kein Material den Kern verlässt, strömen an rund zwanzig Stellen Staubteilchen davon. Antrieb dafür ist vermutlich die Sonneneinstrahlung, die Wassereis und andere flüchtige Substanzen sublimieren und aufsteigen lassen, wobei kleine Teilchen mitgerissen werden. Ein Team um Zdenek Sekanina vom California Institute of Technology hat diesen Prozess genauer unter die Lupe genommen [2]. Die Wissenschaftler lokalisierten die meisten der kleinen Jets erwartungsgemäß auf der sonnenzugewandten Seite, nur einzelne Quellen lagen im abgewandten Bereich. Obwohl die Beschleunigung gering ist, erreichen gerade kleinste Teilchen innerhalb einer Minute einen Abstand von einem Kilometer vom Kern.

Die großräumige Verteilung des Staubs verfolgten Anthony Tuzzolino von der Universität Chicago und seine Kollegen mit dem so genannten Dust Flux Monitor [3]. Da Stardust mit nur 6,1 Kilometern pro Sekunde viel langsamer an seinem Kometen vorbei flog als andere Sonden bei früheren Missionen, entstand eine Profil mit deutlich besserer räumlicher Auflösung. Es offenbarte eine Feinstruktur mit zwei größeren Staubregionen in 600 beziehungsweise 4000 Kilometern Entfernung vom Kern.

Das enger am Kometen fliegende Material kann durchaus der weggepustete Staub der Jets sein, meinen die Wissenschaftler. Die Teilchen weiter draußen sind dagegen ihrer Ansicht nach eher aus einem abtrünnigen Brocken von etwa einem Meter Durchmesser hervorgegangen, der sich vor kurzem vom Kern gelöst hat. Bei Kometen ein durchaus üblicher Vorgang, wobei Klumpen bis hin zur Größe von Lastwagen abbrechen.

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Staub-Sammelbehälter | Ein Blick auf die Sammelbehälter, mit denen Stardust Staub aus der Koma von Wild 2 eingefangen hat.
Aus den Daten ihres Staubzählers schätzen Tuzzolino und seine Kollegen, dass dem Sammelgerät an Bord von Stardust um die 3000 Teilchen mit 15 oder mehr Mikrometern Größe ins "Netz" gegangen sein müssten. Natürlich handelt es sich dabei nicht um ein gewöhnliches Netz, sondern mehr um die Hightech-Version – ein Aerogel. Diese glasartige Substanz hat während des Vorbeiflugs am Kometen einfallende Teilchen sanft abgebremst und in sich aufgenommen. Nach dem Rendezvous hat die Sonde das Aerogel in eine sichere Kapsel eingeschlossen, wo sie auf den eigentlichen Höhepunkt der Mission wartet: die Rückkehr zur Erde! Im Januar 2006 soll diese Probe des kosmischen Staubs an Fallschirmen sanft in der Wüste von Utah landen. Wohl nie zuvor haben Wissenschaftler sich mehr auf ein paar Staubkrümelchen gefreut.

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Aerogel | Wie aus einer anderen Welt wirkt das superleichte Aerogel, das sich in den Sammelkammern befindet und die einfallenden Staubteilchen sanft abbremst.
Bis es soweit ist, müssen sie sich noch mit den vorläufigen automatischen Messungen begnügen, die der Cometary and Interstellar Dust Analyzer (CIDA) an Bord von Stardust vorgenommen hat. Immerhin handelt es sich um 29 Spektren von Teilchen, die etwa ein halbes Pikogramm (5·10-13 g) Masse hatten. Schon vor der Begegnung mit Wild 2 hatte das Massenspektrometer den Staub im "leeren" Weltraum untersucht, sodass nun Vergleiche mit der Koma des Kometen möglich sind, die Forscher um Jochen Kissel vom Max-Planck-Institut für Aeronomie (ab 1. Juli MPI für Sonnensystemforschung) vorgenommen haben [4].

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Teilchenbremse | Die Nahaufnahme zeigt, wie das Aerogel im Laborversuch schnell auftreffende Teilchen langsam abbremst und festhält. Jedes Körnchen hat einen regelrechten Schusskanal in das Material gezogen.
Die vorherrschenden Verbindungen im Kometenstaub sind organischer Natur, wie beispielsweise Cyanide und andere stickstoffhaltige Substanzen. Aminosäuren konnte Stardust hingegen nicht finden. Insgesamt war der Anteil an Wasserstoff- und Sauerstoffatomen geringer als im interstellaren Staub. Diese beiden Elemente befanden sich in Wasser- und Kohlenmonoxid-Molekülen in der Gasphase, statt gebunden an Staubkörnchen.

Wie alles zusammenpasst

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Stardust | Am 2. Januar 2004 flog die Raumsonde Stardust dicht am Kometen Wild 2 vorbei. Auf dieser Grafik ist im hinteren Teil gut der Ständer mit den Sammelbehältern zu sehen, in welchem Stardust Staub aus der Koma einfängt. Die Proben sollen im Jahr 2006 zur Erde zurückkehren und analysiert werden.
Es hat sich also schon einiges an neuen Daten angesammelt. Insgesamt ergibt sich ein verbessertes und an manchen Stellen vielfältigeres Bild von der Entwicklung der Kometen.

Ihren Ursprung haben sie vermutlich in der Oort'sche Wolke, die das Sonnensystem in rund 0,8 Lichtjahren umschließt, oder in dem ringförmigen Kuipergrütel, der in der Nähe von Pluto beginnt. Dort haben sich Milliarden Brocken angesammelt, die parallel zu den Planeten aus der ursprünglichen Staubscheibe entstanden sind, aus welcher das Sonnensystem hervorgegangen ist. Wie in einem kosmischen Kühlschrank haben Kometen darum einen Schnappschuss vom Urmaterial unserer Welt bewahrt. Für die Wissenschaft stellt sich nur das Problem, wie sie an dieses Material herankommen soll.

Dafür sorgen gelegentliche gravitatorische Störungen der Bahnen in der Oort'sche Wolke oder dem Kuipergürtel. Wandert beispielsweise ein Stern an der Sonne vorbei, kann das einige Objekte in die Tiefen des Weltraums oder in Richtung der Planeten schleudern. In manchen Fällen findet der Brocken eine neue stabile Bahn und zieht als Komet regelmäßig seine lang gezogenen elliptischen Wege.

Unterwegs verdampft ein Teil seiner Materie, vor allem in Nähe der Sonne. Aus Sicht der Forschung ein unschöner Vorgang, denn es geht stetig Information verloren. Gut möglich, dass Halleys Komet deshalb so strukturlos ist, weil die vielen Vorbeiflüge an der Sonne ihm längst seinen ursprünglichen Charakter geraubt haben. Wild 2 scheint dagegen noch frisch zu sein. Bis zu einer Begegnung mit Jupiter im Jahre 1974, die ihm eine weitere Bahnänderung aufgezwungen hat, hielt er sich wohl fern von der Sonne. Und seitdem, so schätzt Brownlee, hat er vielleicht nur einen Meter seiner Oberfläche eingebüßt. Das würde zumindest im Zusammenhang mit dem festen Material sein wildes Aussehen erklären.

In seltenen Fällen gerät ein Komet so sehr auf Abwege, dass er auf die Erde stürzt. Vor allem in der Frühzeit des Sonnensystems mag das öfter vorgekommen sein. In Anbetracht der chemischen Zusammensetzung des Kometenstaubs, der ja voller organischer Verbindungen ist, stellt sich deshalb die Frage, ob diese Himmelsboten als Lieferanten von Bauteilen an der Entstehung des Lebens beteiligt waren.

Es geht bei der Kometenforschung also nicht nur um die Schweifsterne an sich, sondern tatsächlich um die ständig bohrenden Fragen, wo wir herkommen und ob wir alleine sind im Universum. Mit Stardust alleine wird dieses Rätsel nicht gelöst werden. Aber wenn das Aerogel mit dem gesammelten Staub sicher gelandet ist, haben die Wissenschaftler zum ersten Mal direkt Material vom Anfang des Sonnensystems in den Händen. Und dann ist da ja noch die Sonde Rosetta, die in zehn Jahren eine Landeeinheit auf einem weiteren Kometen absetzen will. Welche Überraschungen dann wohl auf uns warten?
19.06.2004

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 19.06.2004

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