Vor 4,6 Milliarden Jahren bildete sich unser Sonnensystem aus einer gewaltigen Wolke aus Staub und Gas, die immer schneller um ihren Mittelpunkt rotierte. Der Großteil dieser hauptsächlich aus Helium und Wasserstoff bestehenden Masse wurde zu unserer Sonne. Um die frühe Sonne selbst blieben Reste einer Scheibe aus Staub und kleinen molekularen Partikeln übrig. Diese klumpten zusammen, wurden immer größer und bildeten Brocken, die sich gegenseitig anzogen und zu Planetesimalen zusammenwuchsen, den Bausteinen der Planeten. Nahe der Sonne verdampfte auf Grund der intensiven Wärmestrahlung alles außer den schweren Gesteins- und Metallpartikeln, aus denen sich die inneren Gesteinsplaneten Merkur, Venus, Erde und Mars bildeten. In den weiter entfernten Bereichen der Staubscheibe blieb es kalt, und flüchtige Stoffe wie Wasserstoff, Helium, Methan und Ammoniak sammelten sich als Gashüllen um die Kerne von Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun. Dieser Prozess der Planetenbildung vollzog sich in den ersten 30 Millionen Jahren nach der Entstehung der Sonne.

Im Bereich zwischen den inneren Gesteinsplaneten und den äußeren Gasriesen, Mars und Jupiter, hat sich Materie angesammelt, der es nicht gelungen ist, einen Planeten zu bilden. Die gewaltige Gravitationskraft von Jupiter hat hier eine Zusammenballung verhindert. Das meiste Material in diesem Bereich ist kleiner als ein Kilometer im Durchmesser, aber einige dieser als Asteroiden bezeichneten Körper konnten bis zu 500 Kilometer groß werden.

Der einzige Zwergplanet in diesem Bereich, Ceres, erreicht sogar fast 1000 Kilometer Durchmesser – mehr geht in dieser Zone des Sonnensystems allerdings nicht. Viele der kleinen Asteroiden sind Bruchstücke größerer Körper, die durch gegenseitige Kollisionen zerstört wurden. Vesta ist einer der noch intakten großen Asteroiden und zeigt, dass Körper mit mehreren hundert Kilometer Durchmesser so heiß wurden, dass sie differenzierten: Es bildete sich ein Kern aus schwerem Eisen, überlagert von einem Mantel aus Silikatschmelzen und einer leichteren Kruste, ebenfalls aus silikatischen Gesteinen. Wenn solche Asteroiden miteinander kollidieren, zerbrechen sie, und es bilden sich Bruchstücke aus den Bestandteilen Gesteinskruste, Silikatmantel und Eisenkern.

Das silikatische Gesteinsmaterial aus Kruste und Mantel wurde bisher bei vielen Asteroiden durch Raumsonden genauer untersucht und ist auch häufig in Meteoriten, die zur Erde gelangen, zu finden. Ebenfalls als Meteoriten sind eisenreiche Bruchstücke von differenzierten Asteroiden auf unserem Planeten niedergegangen. Allerdings konnte bisher noch kein eisenreicher Asteroid genauer untersucht werden. Radarbeobachtungen und Abschätzungen der Dichte ergaben für den Asteroiden (16) Psyche jedoch Werte, die eine metallische Zusammensetzung nahelegen. Am 13. Oktober 2023 startete zu ihm die gleichnamige Raumsonde der NASA, um diesen besonders dichten Asteroiden genau zu untersuchen.

Psyche, eine besondere Schönheit

Das altgriechische Wort »Psyche« bedeutet »Atem«, »Hauch«, »Schmetterling«, »Seele« und beinhaltet das Denken, die Gefühle und das Verhalten eines Menschen. In der Mythologie ist die Königstochter Psyche von solcher Schönheit, dass selbst der Gott Eros (Amor) ihr verfällt. Der Asteroid Psyche ist ebenso von solcher Schönheit, dass einige Wissenschaftler diesem Himmelskörper nicht widerstehen können. Psyche umkreist die Sonne in einem mittleren Abstand von 437 Millionen Kilometern, dem 2,9-fachen Abstand von der Erde zur Sonne, mit einer mittleren Geschwindigkeit von 17,38 Kilometern pro Sekunde und benötigt dazu fünf Jahre. Mit Dimensionen von 278 × 238 × 171 Kilometern weist Psyche eine elliptische Gestalt auf. Er rotiert in 4,2 Stunden recht schnell um die eigene Achse.

Eine große Masse und ein relativ kleines Volumen machen Psyche ganz besonders: Mit einer Dichte von (4,17 ± 0,14) Gramm pro Kubikzentimeter ist der Himmelskörper schwerer als alle bisher untersuchten großen Asteroiden. Dies ist ein deutlicher Hinweis auf einen hohen Anteil an Eisen und Nickel. Daher wird vermutet, dass Psyche der innere Rest eines größeren differenzierten Asteroiden und somit der nach einer Kollision übrig gebliebene Eisenkern ist.

Da die mittlere Dichte aber deutlich geringer als diejenige von reinem Eisen ist, existiert wahrscheinlich auch noch ein Anteil des silikatischen Mantelgesteins. In gewisser Weise ähneln in Kruste, Mantel und Kern differenzierte Asteroiden dem frühen Zustand der Erde. Allerdings ist es unmöglich, den Eisenkern der Erde oder der anderen Planeten des inneren Sonnensystems direkt zu beobachten. Psyche bietet daher die Gelegenheit, das innerste Produkt der Planetenbildung, den Kern, zu untersuchen. Es ist also verständlich, dass Wissenschaftler den Wunsch haben, dorthin zu fliegen!

Die Erzvorkommen von Psyche könnten nach derzeitigen Marktpreisen einen Wert von rund zehn Trillionen Euro haben. Allerdings würde der Preis für Erze sehr schnell verfallen, sollte diese Menge auf der Erde verfügbar werden.

Eine ganz besondere Oberfläche

Infrarotbeobachtungen legen nahe, dass die Oberfläche von Psyche aus einer Mischung von Metall- und Silikatgesteinen bestehen könnte. Aber ist Psyche ein kompakter Metall- und Gesteinskörper oder eher mit Poren und Brüchen durchzogen? Und wie sind die einzelnen Bestandteile auf der Oberfläche verteilt? Ein Teil wird Eisen mit etwas Nickel sein, aber vermutlich ist auch silikatisches Gesteinsmaterial aus dem Mantel und der Kruste übrig geblieben. Auch kleinere Asteroiden haben Psyche getroffen, Einschlagkrater gebildet und Gesteinsmaterial auf der Oberfläche zurückgelassen. Erst eine genaue Untersuchung der Oberfläche wird zeigen, wie die Verhältnisse aus Metall und Gestein aussehen und woher die Gesteinskomponenten stammen.

Vom Asteroiden (4) Vesta, der mit der NASA-Mission Dawn eingehend untersucht wurde, kennt man die Gesteinsoberfläche sehr genau. Diese zeigt viele Einschlagkrater, aber auch Hügel und steile Abhänge sowie Brüche und Gräben. Besonders auffällig ist eine Struktur am Südpol mit einem Berg im Zentrum einer abgeflachten Umgebung. Dabei handelt es sich um einen gewaltigen Einschlagkrater namens »Rheasilvia«, dessen Durchmesser mit 500 Kilometern etwa demjenigen von Vesta selbst entspricht.

Erdgebundene Radar- und Teleskopbeobachtungen von Psyche mit geringer räumlicher Auflösung zeigen unregelmäßige Umrisse, die ebenfalls auf größere Einschlagkrater hindeuten. Besonders in der Südpolregion scheint wie bei Vesta ein großer Krater zu existieren. Solche Konturen lassen vermuten, dass es auch nach der Zerstörung des Mutterkörpers von Psyche zu weiteren erheblichen Kollisionen kam.

Die Einschlagkrater auf Psyche sollten sich aber von denjenigen auf einer Gesteinsoberfläche wie bei Vesta deutlich unterscheiden, da Metall anders auf die Kollisionsenergie reagiert als reines Gestein. Atmosphärelose Körper im Sonnensystem bilden durch die Zertrümmerung bei Kollisionen eine Schuttschicht, den Regolith. Auf Vesta und auch auf unserem Mond ist diese Schuttschicht etwa einen Kilometer dick und besteht aus Partikeln aller Größen, von feinstem Staub bis zu kilometergroßen Blöcken. Vermutlich ist dies auch auf Psyche so, aber beim Einschlag in metallische Oberflächen entstehen zudem geschmolzene Metallpartikel, so genannte Tektite, die vermischt mit Gesteinsanteilen eine besonders bewegliche Oberflächenschicht darstellen. Die unregelmäßige Form von Psyche lässt eine durch viele Einschlagkrater gebildete extreme Topografie mit steilen Hangneigungen erwarten. Deshalb ist auf Psyche mit erheblichen Massenbewegungen durch Hangrutschungen zu rechnen.

Der Ursprung von Psyche

Der vermutete hohe Metallgehalt von Psyche kann mehrere Ursachen haben: Der Asteroid ist der Rest eines differenzierten Körpers, der durch Kollisionen zerstört wurde, wobei sowohl der Metallkern als auch Reste des silikatischen Mantels und der Kruste übrig sind. Unter chemisch reduzierenden Bedingungen kann sich allerdings auch die Metallkomponente anreichern, wobei eine Mischung aus Metall und Gestein entsteht. In beiden Fällen sollte die Eisenkomponente im Gestein wenig oxidiert sein, was die beobachtete flache spektrale Signatur von Psyche erklärt, weil metallisches Eisen keine Absorptionslinien zeigt.

Um einen hohen Metallanteil zu erreichen, sind eine Aufschmelzung und Differenzierung eines Himmelskörpers in Kruste, Mantel und Kern der einfachste Prozess. Im frühen Sonnensystem war Aluminium-26, ein schnell zerfallendes radioaktives Isotop, reichlich vorhanden und könnte bei der ersten Zusammenballung von Materie im solaren Nebel zum Aufschmelzen geführt haben. Dies bewirkte dann eine gravitative Trennung schwerer von leichten Elementen. Da der größte Teil des Eisens in den Kern gewandert ist, sollten der Mantel und die Kruste aus eisenarmen Gesteinen bestehen. Nach einer gewaltigen Kollision wurden große Teile der aus Gestein bestehenden Kruste und des Mantels zerstört. Gemäß dieser Hypothese sollte Psyche sowohl aus Metall als auch aus Regionen mit Überbleibseln aus eisenarmen Gesteinsablagerungen bestehen. Ungeklärt ist allerdings die Frage, wie groß der ursprüngliche Mutterkörper von Psyche war – so groß wie Vesta (mittlerer Durchmesser 525 Kilometer) oder gar etwa so groß wie der Mond?

Es ist auch möglich, dass es zur kompletten kollisionsbedingten Zerstörung des ursprünglich differenzierten Körpers kam, dieser sich jedoch wieder durch die eigene Schwerkraft der größeren Brocken zur bekannten Psyche zusammenfügte. Dann wäre Psyche ein Gemisch aus Metallen und eisenarmen Silikatgesteinen. In einer weiteren Hypothese geht man davon aus, dass bei Psyche der Differenziationsprozess anfänglich begonnen hat, aber nicht vollendet wurde. Während der Abkühlung haben sich die Metalle nicht völlig im Kern konzentriert, sondern es kam zu einer Art von Eisenvulkanismus, wobei eisenreiches Magma durch die Kruste zur Oberfläche gelangte. So ergab sich eine Vermischung von eisenarmem Gestein und Metall.

Neben den Eisenmeteoriten, welche die Erde erreichen, gibt es auch aus einer Mischung von Gestein und Eisen bestehende Meteoriten, die zwar Erwärmung, aber keine Aufschmelzung erlebt haben. Es ist daher nicht auszuschließen, dass Psyche ein undifferenzierter Asteroid ist, der sich aus ursprünglich im frühen Sonnensystem vorhandenen Metall- und eisenarmen Gesteinskomponenten gebildet hat. Damit wäre Psyche kein Metallkern. Welche dieser Hypothesen – Metallkern oder nur eine Metall-Gesteins-Mischung – richtig ist, soll die NASA-Mission Psyche klären.

Hat Psyche ein Magnetfeld?

Das hohe Aufkommen von Eisen in und auf Psyche lässt vermuten, dass auch magnetische Eigenschaften vorhanden sind. Eisenmeteoriten zeigen einen im Metall eingefrorenen remanenten Magnetismus, ähnlich einem Dauermagneten. Diese Beobachtung und die Theorie der Erzeugung von Magnetfeldern durch Dynamoeffekte in den Metallkernen planetarer Körper legen die Vermutung nahe, auch auf Psyche könnte solch fossiler Magnetismus vorliegen. Sollte sich dies bestätigen, wäre das ein sehr klarer Hinweis, dass Psyche der Metallkern eines differenzierten Asteroiden ist. Dies wiederum würde es erlauben, die frühen Differenziationsprozesse im Sonnensystem und damit die Differenzierung und die Bildung metallischer Planetenkerne besser zu verstehen.

Neben der Magnetisierung liefert auch die Zusammensetzung Hinweise auf die Entstehung von Psyche. So würde eine enge Vermischung individueller Metall- und Gesteinskomponenten, die der ursprünglichen chondritischen Zusammensetzung des solaren Urnebels entsprechen, eher für einen undifferenzierten, nicht aufgeschmolzenen Ursprung sprechen. Wäre die Vermischung allerdings komplizierter und bestünde aus Arealen aus Metall sowie schon thermisch verändertem Gestein, so sollte ein geschmolzener und differenzierter Asteroid der Ursprungskörper sein. Gäbe es schwefelreiche Bereiche auf Psyche, so spräche dies ebenfalls für einen differenzierten Ausgangskörper.

Letztlich gibt der Nickelgehalt in der Metallphase Aufschluss darüber, ob Psyche der Kern eines differenzierten Asteroiden ist. Sollte der Nickelgehalt mehr als vier Prozent betragen, ist Psyche der Metallkern eines Protoplaneten. Um diese Fragen zu klären, verfügt die Raumsonde Psyche über eine Kombination verschiedener Messinstrumente.

Instrumente an Bord von Psyche

Die wissenschaftliche Nutzlast der Sonde Psyche besteht aus vier Experimenten: Eine Kamera, der Multispectral Imager der Arizona State University, wird die Oberfläche mit hoher Auflösung und in Farbe kartieren, um die Topografie und die mineralogische Zusammensetzung zu bestimmen. Damit lassen sich Rückschlüsse auf die abgelaufenen geologischen Prozesse ziehen, und die Verteilung von Metall- und Gesteinskomponenten kann bestimmt werden. Auch sollte vorhandener Schwefel nachweisbar sein.

Ein Magnetometer des Massachusetts Institute of Technology und der Technical University of Denmark ist dafür ausgelegt, das möglicherweise vorhandene fossile (remanente) Magnetfeld des Asteroiden nachzuweisen und zu vermessen.

Mit einem Gammastrahlenspektrometer, das Gamma-Ray and Neutron Spectrometer des Applied Physics Laboratory an der Johns Hopkins University, soll die elementare Zusammensetzung der Oberfläche ermittelt und insbesondere der Nickelgehalt bestimmt werden.

Ein Radio-Schwerkraftexperiment, die Radio Science des Jet Propulsion Laboratory, nutzt die Antennen der Kommunikationsanlage für Dopplermessungen und soll benutzt werden, um das Gravitationsfeld von Psyche zu ermitteln. Bei der Mission wird auch erstmals eine Laserkommunikationstechnologie getestet, die an Stelle von Radiowellen Infrarotphotonen nutzt.

Die Psyche-Mission bietet die Möglichkeit, nicht nur einen besonderen Asteroiden zu untersuchen, sondern erlaubt auch Einblicke in die Bedingungen während der ersten 100 Millionen Jahre der Entstehung und Differenzierung planetarer Körper im Sonnensystem. Die Hauptaufgabe dabei ist, die geologische Geschichte und Entwicklung des Asteroiden durch das genaue geologische Charakterisieren und Kartieren der Oberfläche zu untersuchen.

Die 2747 Kilogramm schwere Sonde Psyche startete erfolgreich am 13. Oktober 2023 mit einer Falcon-Heavy-Rakete vom NASA-Weltraumstartplatz Kennedy Space Center in Florida. Auf ihrer etwa 3,6 Milliarden Kilometer langen Reise zum Asteroiden Psyche wird die Sonde im Mai 2026 am Mars ein Gravity-Assist-Manöver durchführen, um zusätzlich Geschwindigkeit zu gewinnen, mit der schließlich im August 2029 das Ziel erreicht werden soll. Die Raumsonde misst 4,9 × 2,2 × 2,4 Meter und erstreckt sich mit den Solarpaneelen über 24,76 × 7,34 Meter.

Die Psyche-Sonde hat ein Ionentriebwerk, wie es bereits im Jahr 1998 bei der NASA-Mission Deep Space 1, im Jahr 2004 bei der ESA-Mondsonde Smart 1, im Jahr 2007 bei der NASA-Raumsonde Dawn und bei den japanischen Hayabusa-Missionen eingesetzt wurde. Da ein solcher Antrieb zu schwach ist, um große Raumsonden zu beschleunigen, wurde die Idee erst beim Einsatz kleiner Sonden, die weite Strecken im All zurücklegen sollen, attraktiv. Im Ionentriebwerk werden Elektronen in ein Magnetfeld geschossen, in dem sich das Edelgas Xenon befindet. Beim Zusammentreffen mit den Xenonatomen entstehen ionisierte Atome mit positiver Ladung. Das Magnetfeld beschleunigt das ionisierte Xenongas und erzeugt so einen schwachen Rückstoßeffekt. Die Schubleistung eines solchen Triebwerks ist nicht größer als der Druck eines Blatt Papiers auf eine Handfläche: 266 Millinewton. Dies ist zwar sehr wenig, kann in der Schwerelosigkeit jedoch durch konstanten Betrieb fast unbegrenzt gesteigert werden.

Die Sonde hat vier Hall-Thruster-Triebwerke, wobei aber jeweils lediglich eines genutzt wird. Die mitgeführten 1085 Kilogramm Xenon sind für die Durchführung der Mission völlig ausreichend und entsprechen nur etwa zehn Prozent des sonst notwendigen chemischen Treibstoffs. Allerdings werden zwischen 0,9 und 4,5 Kilowatt elektrische Energie benötigt, was die 75 Quadratmeter großen Solarpaneele liefern. Die Steuerung und Lageregelung erfolgen mit stickstoffbetriebenen kleineren Kaltgasdüsen.

Ablauf nach Rendezvous

Wenn sich Psyche ab Mai 2029 dem Asteroiden nähert, wird sich die Sonde in eine Position bringen, aus der sie in das Schwerefeld des Asteroiden eintreten kann. Ab Ende Juli 2029 wird die Sonde dann für 20 Tage manövrieren, um eine erste Umlaufbahn zu erreichen. Dann ist die Bildauflösung gut genug, um die Umgebung des Asteroiden nach Staub und eventuellen Trabanten abzusuchen. Die weiteste Umlaufbahn A wird im August 2029 erreicht; in 709 Kilometer Entfernung zur Oberfläche umkreist die Sonde alle 32,6 Stunden Psyche, untersucht das Magnetfeld und führt eine erste geologische Kartierung der Oberfläche durch.

Nach 56 Tagen wird der Orbit auf 303 Kilometer abgesenkt (Phase B1). Jetzt benötigt die Sonde nur noch 11,6 Stunden für eine Umkreisung, und die Magnetfeldmessungen können erheblich verbessert werden. Auch die Kamera kann die Topografie der Oberfläche besser erfassen.

Nach weiteren 92 Tagen beginnen Manöver, um noch näher an Psyche heranzukommen. Dieser Vorgang erfordert ein vorsichtiges 98 Tage dauerndes Annähern, da für Orbit D nicht nur die Höhe auf 75 Kilometer reduziert, sondern auch die Umlaufbahn von einer polaren zu einer äquatorialen Umkreisung geändert wird. Für 100 Tage umrundet die Sonde den Asteroiden alle 3,6 Stunden und untersucht während 666 Umläufen die chemische Zusammensetzung der Oberfläche.

Im Januar 2031 wird dann der Orbit wieder auf 190 Kilometer angehoben (Phase C) und polar orientiert. Für weitere 100 Tage wird das Magnetfeld nahe am Asteroiden vermessen und über die Bahnablenkungen der Sonde das Schwerefeld bestimmt.

Im Mai 2031 wird die Umlaufbahn in der Phase B2 wieder wie bei Orbit B1 auf 303 Kilometer angehoben, und für weitere 100 Tage können die Magnetfeldmessungen verbessert werden. Jetzt erlauben es auch die Beleuchtungsbedingungen, die Geologie und Topografie der während der Orbitphase B1 im Dunkeln gelegenen Oberflächenbereiche zu vermessen und zu kartieren.

Die Hauptmission dauert bis Ende November 2031. Die von der Psyche-Sonde gesammelten Daten werden es erlauben, die Prozesse der Planetenbildung im frühen Sonnensystem zu verstehen, und wahrscheinlich Einblicke in das tiefe Innere eines Protoplaneten ermöglichen, denn auch bei der Erde haben wir den Kern noch nicht gesehen.

Die Psyche-Mission ist ein NASA-Projekt. Wissenschaftlich wird die Mission von Lindy Elkins-Tanton von der Arizona State University geleitet. Das Jet Propulsion Laboratory der NASA ist für die Missionsdurchführung zuständig. Das Raumschiff wurde von der Firma Maxar Technologies entwickelt. Die Freie Universität Berlin und das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt sind an der Planung und Auswertung der Kamera-Stereodaten sowie der Analyse geologischer Prozesse beteiligt.