Kosmische Detektivarbeit: Warum wir Kleinkörper im Weltall erforschen

Die gesamte Geschichte der menschlichen Existenz ist ein Augenblick in der 4,6 Milliarden Jahre alten Geschichte unseres Sonnensystems. Niemand war da, um Planeten entstehen und dramatische Veränderungen erfahren zu sehen, bevor sie ihre heutige Reihenfolge einnahmen. Um zu verstehen, was vor uns kam – vor dem Leben auf der Erde und sogar vor der Erde selbst – müssen Wissenschaftler nach Anhaltspunkten zu dieser rätselhaften fernen Vergangenheit suchen.

Diese Anhaltspunkte findet man in der Form von Asteroiden, Kometen und anderen kleinen Objekten. So wie Detektive forensische Hinweise durchforsten, untersuchen Wissenschaftler sorgfältig diese Kleinkörper, um neue Erkenntnisse über unsere Ursprünge zu gewinnen. Sie erzählen von einer Zeit, als zahllose Meteoroiden und Asteroiden auf die Planeten herabregneten, in der Sonne verglühten, hinter die Umlaufbahn Neptuns katapultiert wurden oder mit anderen Objekten kollidierten und in kleinere Himmelskörper zerbrachen. Von eisigen Kometen bis hin zu dem Asteroiden, der die Herrschaft der Dinosaurier beendete, enthält jeder Kleinkörper Hinweise auf bedeutende Ereignisse, die das Sonnensystem so gestalteten, wie wir es heute kennen – inklusive dem Leben auf der Erde.

Die Missionen der NASA zur Erforschung dieser Himmelskörper helfen uns zu verstehen, wie Planeten inklusive der Erde entstanden. Ebenso lokalisieren sie gefährliche, sich nähernde Objekte und helfen uns, über die zukünftige Erforschung nachzudenken. Diese Objekte haben Schlüsselrollen in der Geschichte unseres Sonnensystems gespielt und spiegeln wider, wie es sich heute weiter verändert.

„Sie haben vielleicht keine großen Vulkane, globalen Ozeane oder Staubstürme, aber kleine Welten könnten wichtige Fragen beantworten, die wir zu den Ursprüngen unseres Sonnensystems haben“, sagte Lori Glaze, die Direktorin der Planetary Science Division am NASA-Hauptquartier in Washington.

Die NASA hat eine lange Geschichte hinsichtlich der Erforschung von Kleinkörpern, beginnend mit dem Vorbeiflug der Raumsonde Galileo am Asteroiden Gaspra im Jahr 1991. Die erste Raumsonde, die einen Asteroiden umkreiste, die Mission Near Earth Asteroid Rendezvous (NEAR) Shoemaker, landete im Jahr 2000 erfolgreich auf dem Asteroiden Eros und machte Messungen, die ursprünglich nicht geplant waren. Die Mission Deep Impact rammte im Jahr 2005 eine Kapsel in den Kometen Tempel 1 und veranlasste Wissenschaftler zu überdenken, wo die Kometen entstanden. Auf diese Erfolge bauten kürzliche Missionen auf, die uns weiterhin neue Informationen über unser Sonnensystem liefern. Ein Überblick:

Bausteine von Planeten

Unser Sonnensystem, wie wir es heute kennen, entstand aus Staubkörnchen – winzigen Gesteinsteilchen, Metallen und Eis – die in einer Scheibe um die junge Sonne wirbelten. Der Großteil der Materie aus dieser Scheibe stürzte in den neu geborenen Stern, aber ein Teil vermied dieses Schicksal und klumpte zusammen, wodurch es zu Asteroiden, Kometen und sogar Planeten anwuchs. Die meisten Überreste aus diesem Prozess haben bis zum heutigen Tag überlebt. Das Wachstum der Planeten aus kleineren Objekten ist ein Teil unserer Geschichte, bei deren Erforschung Asteroiden und Kometen helfen können.

„Asteroiden, Kometen und andere Kleinkörper enthalten Materie von der Geburt des Sonnensystems. Wenn wir wissen wollen, woher wir stammen, müssen wir diese Objekte untersuchen“, sagte Glaze.

Zwei alte „Fossile“, die Hinweise zu dieser Geschichte geben, sind Vesta und Ceres, die größten Himmelskörper im Asteroidengürtel zwischen Mars und Jupiter. Die NASA-Raumsonde Dawn, die kürzlich ihre Mission beendete, umkreiste sie beide und zeigte, dass sie definitiv nicht zu dem normalen „Asteroiden-Club“ gehören. Während viele Asteroiden lockere Ansammlungen von Geröll sind, besitzen Vesta und Ceres einen geschichteten Aufbau mit dem dichtesten Material in ihren Kernen. Wissenschaftlich ausgedrückt, ist ihr Aufbau ausdifferenziert. Das spricht dafür, das beide Himmelskörper auf dem Weg waren, zu Planeten zu werden, aber ihr Wachstum war verkümmert. Sie hatten nie genug Materie, um so groß zu werden wie die großen Planeten.

Aber während Vesta größtenteils trocken ist, ist Ceres feucht. Ceres könnte bis zu 25 Prozent Wasser enthalten, das hauptsächlich in Mineralen oder Eis gebunden ist. Es besteht die Möglichkeit auf Flüssigkeit im Untergrund. Die Präsenz von Ammoniak auf Ceres ist ebenfalls interessant, weil es typischerweise kühlere Temperaturen braucht als an Ceres‘ aktueller Position. Das lässt darauf schließen, dass der Zwergplanet jenseits von Jupiter entstanden sein könnte und an seine derzeitige Position migrierte, oder zumindest, dass die beteiligten Materialien ihren Ursprung weiter entfernt von der Sonne haben. Das Rätsel von Ceres‘ Herkunft zeigt, wie komplex die Planetenbildung sein kann, und unterstreicht die komplizierte Geschichte unseres Sonnensystems.

Obwohl wir das tiefe Innere der Planeten indirekt nach Anhaltspunkten für ihre Ursprünge erforschen können, wie es die NASA-Mission InSight mit dem Mars tun wird, ist es unmöglich, in den Kern irgendeines Objekts im Weltraum vorzudringen, die Erde eingeschlossen. Trotzdem könnte ein seltenes Objekt namens Psyche die Gelegenheit bieten, den Kern eines planetenähnlichen Himmelskörpers ohne Bohrungen zu untersuchen. Der Asteroid Psyche scheint der freiliegende Eisen-Nickel-Kern eines Protoplaneten zu sein – eine kleine Welt, die früh in der Geschichte des Sonnensystems entstand, aber nie die Größe eines Planeten erreichte. Wie bei Vesta und Ceres wurde der planetare Werdegang unterbrochen. Die NASA-Mission Psyche, deren Start für das Jahr 2022 geplant ist, wird helfen, die Geschichte der Planetenentstehung zu erzählen, indem sie dieses metallhaltige Objekt detailliert untersucht.

Weiter draußen ist die NASA-Raumsonde New Horizons gerade auf ihrem Weg zu einem fernen Objekt mit der Katalogbezeichnung 2014 MU69, Spitzname Ultima Thule. Ultima Thule ist 1,6 Milliarden Kilometer weiter von der Sonne entfernt als Pluto und damit ein Mitglied des Kuipergürtels, einer Region aus eisreichen Objekten jenseits der Umlaufbahn Neptuns. Objekte wie Ultima Thule könnten das primitivste, unberührteste Material repräsentieren, das im Sonnensystem vorhanden ist. Während die Planeten in Ellipsen um die Sonne kreisen, haben Ultima Thule und viele andere Kuipergürtelobjekte sehr kreisförmige Umlaufbahnen. Das deutet darauf hin, dass sie sich in 4,5 Milliarden Jahren nicht von ihren ursprünglichen Umlaufbahnen fortbewegt haben. Diese Objekte könnten die Bausteine von Pluto und anderen fernen Eiswelten darstellen. New Horizons wird am 1. Januar 2019 seine engste Annäherung an Ultima Thule erreichen – der bislang fernste planetare Vorbeiflug in der Geschichte.

„Ultima Thule ist wissenschaftlich betrachtet unglaublich wertvoll, um den Ursprung unseres Sonnensystems und seiner Planeten zu verstehen“, sagte Alain Stern vom Southwest Research Institute in Boulder (Colorado), der leitende Wissenschaftler der New-Horizons-Mission. „Es ist alt und unberührt und gleicht nichts, was wir zuvor gesehen haben.“

Bereitstellung der Elemente des Lebens

Kleine Welten sind wahrscheinlich auch verantwortlich für das Sähen der Elemente des Lebens auf der Erde. Zu untersuchen, wie viel Wasser sie besitzen, ist ein Hinweis darauf, wie sie bei der Entstehung des Lebens auf der Erde halfen. „Kleinkörper sind die Wende. Sie nehmen an der langsamen und stetigen Entwicklung unseres Sonnensystems im Verlauf der Zeit teil und beeinflussen planetare Atmosphären und die Möglichkeiten für Leben. Die Erde ist Teil dieser Geschichte“, sagte der NASA-Chefwissenschaftler Jim Green.

Ein Beispiel für einen Asteroiden, der die Bausteine des Lebens enthält, ist Bennu, das Ziel der NASA-Mission OSIRIS-REx (Origins, Spectral Interpretation, Resource Identification, Security-Regolith Explorer). Bennu könnte große Mengen Wasser- und Kohlenstoffmoleküle enthalten, die beide grundlegend für Leben sind, wie wir es kennen. Als die Erde entstand und auch im Anschluss daran regneten Objekte wie Bennu auf sie herab und brachten diese Substanzen auf unseren Planeten. Diese Objekte selbst besitzen keine Ozeane, sondern Wassermoleküle, die in Mineralen gebunden sind. Man vermutet, dass bis zu 80 Prozent des Wassers auf der Erde von Kleinkörpern wie Bennu stammen. Durch die Untersuchung Bennus können wir die Objekttypen besser verstehen, die es einer dürren Erde erlaubten, Leben hervorzubringen.

Bennu entstand wahrscheinlich im Hauptasteroidengürtel zwischen Mars und Jupiter und überstand vermutlich eine katastrophale Kollision, die vor 0,8-2 Milliarden Jahren stattfand. Wissenschaftler denken, dass ein großer, kohlenstoffreicher Asteroid in tausende Teile zerbrach, und Bennu ist eines dieser Überreste. Annahmen zufolge ist Bennu kein festes Objekt, sondern eher ein „Geröllhaufen“-Asteroid – eine lockere Ansammlung von Steinen, die durch die Gravitation und eine andere Kraft zusammengehalten werden, die als Kohäsion bezeichnet wird. OSIRIS-REx, die Anfang Dezember 2018 nach einer zwei Milliarden Kilometer langen Reise Bennu erreichen wird, wird im Jahr 2023 eine Probe dieses erstaunlichen Objekts in einer Kapsel zur Erde zurückschicken.

Die japanische Mission Hayabusa-2 beobachtet ebenfalls einen Asteroiden aus der gleichen Familie von Himmelskörpern, die vermutlich die Bestandteile des Lebens auf die Erde gebracht haben. Sie umkreist derzeit den Asteroiden Ryugu. Hüpfende Rover auf seiner Oberfläche werden Proben sammeln und sie bis Ende 2020 in einer Kapsel für weitere Analysen zurück zur Erde bringen. Wir werden eine Menge lernen, wenn wir Bennu und Ryugu vergleichen und die Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen den Proben verstehen.

Spuren der Entwicklung des Sonnensystems

Das meiste Material, aus dem unser Sonnensystem inklusive der Erde entstand, stürzte in die Sonne oder wurde außerhalb der Reichweite unserer stärksten Teleskope katapultiert. Nur ein kleiner Bruchteil bildete die Planeten. Aber es gibt einige Relikte aus der frühen Zeit, als das Material der Planeten mit einem ungewissen Schicksal um die Sonne wirbelte.

Eine besonders katastrophale Zeit für das Sonnensystem war zwischen 50 und 500 Millionen Jahre nach der Entstehung der Sonne. Jupiter und Saturn, die massereichsten Planeten unseres Sonnensystems, ordneten die Objekte in ihrer Nähe neu, als ihre Gravitation mit kleineren Welten wie Asteroiden interagierte. Uranus und Neptun könnten näher an der Sonne entstanden und durch die Bewegungen Jupiters und Saturns nach außen katapultiert worden sein. Saturn könnte Jupiter tatsächlich davon abgehalten haben, einige der terrestrischen Planeten zu „verschlingen“, als seine Gravitationskraft Jupiters innengerichteter Bewegung in Richtung Sonne entgegenwirkte.

Asteroidenschwärme, die sogenannten Trojaner, könnten helfen, die Einzelheiten dieser turbulenten Periode aufzudecken. Die Trojaner bestehen aus zwei Schwärmen aus Kleinkörpern, die Jupiters Umlaufbahn um die Sonne teilen, wobei eine Gruppe ihm vorauseilt und die andere hinter ihm herläuft. Aber manche Trojaner scheinen aus anderen Materialien zu bestehen als andere, was durch ihre variierenden Farben angedeutet wird. Manche sind viel rötlicher als andere und könnten ihren Ursprung jenseits der Umlaufbahn Neptuns haben, während die gräulicheren viel näher an der Sonne entstanden sein könnten. Die führende Theorie besagt, dass diese Objekte durch die Bewegung Jupiters in Lagrange-Punkte gebracht wurden – das sind Regionen, wo die Gravitationkräfte von Jupiter und der Sonne sich aufheben und wo dadurch Asteroiden gefangen werden können. Die Vielfalt der Trojaner spiegelt nach Meinung der Wissenschaftler Jupiters Reise an seine heutige Position wider. „Sie sind die Überreste dessen, was zur Zeit der letzten Migrationsphasen Jupiters geschah“, sagte Hal Levison vom Southwest Research Institute.

Im Rahmen der NASA-Mission Lucy, geplant für Oktober 2021, wird erstmals eine Raumsonde zu den Trojanern geschickt, die sechs Trojaner intensiv untersuchen wird (drei Asteroiden in jedem Schwarm). Für Levison, den leitenden Forscher der Mission, wird die Raumsonde Theorien überprüfen, an denen er und seine Kollegen seit Jahrzehnten arbeiten. Die Theorien beschäftigen sich damit, wie Jupiter das Sonnensystem umgestaltete. „Wirklich interessant wäre das, was wir nicht erwarten“, sagte er.

Prozesse in einem sich entwickelnden Sonnensystem

Unter den richtigen Bedingungen erkennt man nach Sonnenuntergang vielleicht gestreutes Sonnenlicht in der Ekliptik – das ist die Ebene, in der sich die Planeten bewegen. Das liegt daran, dass das Sonnenlicht an Staub reflektiert wird, der aus den Kollisionen von Kleinkörpern wie Kometen und Asteroiden übrigblieb. Wissenschaftler nennen dieses Phänomen Zodiakallicht und es ist ein Hinweis darauf, dass unser Sonnensystem immer noch aktiv ist. Zodiakaler Staub um andere Sterne sprechen dafür, dass auch sie aktive Planetensysteme beherbergen könnten.

Staub von Kleinkörpern spielt insbesondere bei unserem Planeten eine wichtige Rolle. Jeden Tag gelangen etwa 100 Tonnen Material durch Meteoriten und Staub auf die Erde. Manches davon stammt von Kometen, deren Aktivität direkte Auswirkungen auf die Entwicklung der Erde hat. Wenn sich Kometen der Sonne nähern und ihrer Hitze ausgesetzt sind, erwärmen sich die Gase innerhalb des Kometen und setzen staubhaltige Materie aus dem Kometen frei – darunter die Bestandteile des Lebens. Die NASA-Raumsonde Stardust flog an dem Kometen 81P/Wild vorbei und stellte fest, dass kometarer Staub auch Aminosäuren enthält, die Bausteine des Lebens.

Gelegentlich beobachtete Gas- und Staubausbrüche auf Kometen weisen auf Aktivität auf oder nahe ihrer Oberflächen hin, beispielsweise Rutschungen. Die Rosetta-Mission der European Space Agency (ESA), die im Jahr 2016 ihre Erforschung des Kometen 67P/Tschurjumow-Gerassimenko beendete, lieferte beispiellose Einblicke in kometare Aktivitäten. Zu den beobachteten Veränderungen auf dem Kometen gehörten ein großer Kollaps eines Kliffs, ein großer Riss, der sich erweiterte und ein Felsen, der sich bewegte. „Wir entdeckten, dass Felsen von der Größe eines großen Lastwagens auf der Kometenoberfläche eine Strecke zurücklegen konnten, die so lang wie 1,5 Football-Felder ist“, sagte Ramy El-Maarry, ein Mitglied des US-Rosetta-Wissenschaftsteams von der University of Colorado in Boulder im Jahr 2017.

Kometen beeinflussen auch heute noch die Bewegungen der Planeten. Wenn Jupiter weiterhin Kometen nach außen katapultiert, bewegt er sich aufgrund des Gravitationstanzes mit den eisigen Himmelskörpern ganz geringfügig nach innen. Neptun schleudert Kometen in der Zwischenzeit nach innen und bekommt dafür einen geringen Schubs nach außen. Uranus und Saturn bewegen sich bei diesem Prozess auch sehr langsam nach außen. „Im Moment sprechen wir über winzige Bewegungen, weil nicht viel Masse übrig ist“, sagte Levison.

Fun Fact: Der Satellit, der die meisten Kometen beobachtet hat, ist das Solar & Heliospheric Observatory (SOHO) der NASA, der für seine Sonnenbeobachtungen bekannt ist. SOHO hat beobachtet, wie die Sonne tausende Kometen „frisst“, was bedeutet, dass diese kleinen Welten auf ihrer Reise Materie im inneren Teil des Sonnensystems abgeben, bevor sie von der Sonne verschlungen werden.

Bedrohungen für die Erde

Asteroiden können eine Gefahr für die Planeten darstellen, unseren eigenen eingeschlossen.

Während die Trojaner an Jupiter gebunden bleiben, ist Bennu, das Ziel der OSIRIS-REx-Mission einer der potenziell gefährlichsten Asteroiden für die Erde, die momentan bekannt sind. Dennoch ist die Wahrscheinlichkeit für eine Kollision mit der Erde relativ klein. Wissenschaftler schätzen, dass Bennu mit einer Wahrscheinlichkeit von 1:2700 bei einem seiner nahen Vorbeiflüge an der Erde im späten 22. Jahrhundert auf unserem Planeten einschlagen wird. Jetzt können Forscher die Bahn von Bennu bis ins Jahr 2135 recht präzise vorhersagen, wenn der Asteroid einen seiner nahen Vorbeiflüge an der Erde machen wird. Nahbeobachtungen von OSIRIS-REx werden Bennus Reise noch genauer verfolgen und Wissenschaftlern helfen, die daran arbeiten, unseren Planeten gegen gefährliche Asteroiden zu schützen und besser zu verstehen, was nötig wäre, um einen Asteroiden von seinem Kollisionskurs abzubringen.

„Wir entwickeln viele Technologien, um in der Nähe solcher Himmelskörper präzise zu arbeiten und Orte auf ihren Oberflächen anzuvisieren, sowie ihre gesamten physikalischen und chemischen Eigenschaften zu charakterisieren. Man würde diese Informationen brauchen, wenn man eine Mission für die Ablenkung eines Asteroiden entwickeln will“, sagte Dante Lauretta von der University of Arizona in Tucson, der leitende Wissenschaftler der OSIRIS-REx-Mission.

Eine andere kommende Mission, die eine Technik für den Schutz des Planeten vor natürlich auftretenden Einschlägen erproben wird, ist die DART-Mission (Double Asteroid Redirection Test) der NASA, die versuchen wird, die Bewegung eines kleinen Asteroiden zu verändern. Wie? Durch einen kinetischen Einschlag. Mit anderen Worten: Durch eine Kollision, allerdings präziser und kontrollierter als es in der Natur stattfindet.

Das Ziel der DART-Mission ist Didymos, ein Doppelasteroid, der aus zwei einander umkreisenden Objekten besteht. Der größere Himmelskörper hat einen Durchmesser von rund 800 Metern. Er besitzt ein kleines Moonlet, das weniger als 150 Meter groß ist. Ein Asteroid dieser Größe könnte bei einem Einschlag großflächige regionale Verwüstungen auf der Erde verursachen. DART wird absichtlich mit dem Moonlet kollidieren, um die Orbitalgeschwindigkeit des kleinen Objekts zu geringfügig zu verändern. Teleskope auf der Erde werden dann diese Geschwindigkeitsveränderung messen, indem sie die neue Zeitperiode verfolgen, die das Moonlet für eine Umkreisung des Hauptkörpers braucht. Erwartungsgemäß soll die Geschwindigkeitsveränderung weniger als einen Bruchteil eines Prozents betragen. Aber sogar diese geringe Veränderung könnte ausreichen, um in einem zukünftigen Szenario einen auf Kollisionskurs befindlichen Asteroiden an der Erde vorbeifliegen zu lassen. Die Raumsonde, die vom Applied Physics Laboratory der Johns Hopkins University gebaut wird, soll im Frühling oder Sommer 2021 starten.

Didymos und Bennu sind nur zwei der fast 19.000 bekannten erdnahen Asteroiden. Es gibt mehr als 8.300 bekannte erdnahe Asteroiden von der Größe des Moonlets von Didymos oder größer. Wissenschaftler schätzen jedoch, dass im erdnahen Weltraum etwa 25.000 Asteroiden dieser Größe existieren. Das Weltraumteleskop, das Forschern hilft, diese Objekte zu entdecken und zu verstehen, darunter auch potenzielle Bedrohungen, trägt die Bezeichnung NEOWISE (was für Near-Earth Object Wide-field Infrared Survey Explorer steht).

„Über die meisten Asteroiden wissen wir nur wenig, bis auf ihre Umlaufbahnen und wie hell sie sind. Mit NEOWISE können wir die von diesen Objekten emittierte Wärmestrahlung nutzen, um ihre Größen besser einzuschätzen“, sagte Amy Mainzer vom Jet Propulsion Laboratory der NASA, die leitende Wissenschaftlerin der NEOWISE-Mission. „Das ist wichtig, weil Asteroideneinschläge es in sich haben können und die Menge der Energie stark von der Größe des Objekts abhängt.“

Kleine Welten als Zwischenstopp, Ressourcen für zukünftige Erforschung

Es gibt noch keine Tankstellen im Weltraum, aber Wissenschaftler und Ingenieure beginnen bereits daran zu denken, wie Asteroiden eines Tages als Versorgungsstationen für Raumschiffe auf dem Weg zu weiter entfernten Zielen fungieren könnten. Diese kleinen Welten könnten Astronauten auch helfen, ihre Vorräte zu aufzufrischen. Beispielsweise besitzt Bennu wahrscheinlich Wasser, das in Tonmineralen gebunden ist, was eines Tages vielleicht gesammelt werden könnte, um den Durst der Weltraumfahrer zu löschen.

„Neben der Wissenschaft wird die Zukunft in der Tat der Bergbau sein“, sagte Green. „Diese Materialien aus dem Weltraum werden im Weltraum für die weitere Erforschung verwendet.“

Wie gelangten Metalle auf Asteroiden? Als sie entstanden, sammelten Asteroiden und andere kleine Welten schwere Elemente an, die vor Milliarden Jahren gebildet wurden. Eisen und Nickel, das in Asteroiden vorkommt, wurden von früheren Sterngenerationen erzeugt und in die Bildung unseres Sonnensystems einbezogen.

Diese Kleinkörper enthalten auch schwerere Metalle, die in stellaren Explosionen entstanden, in sogenannten Supernovae. Der explosive Tod eines Sterns, der zu der Entstehung eines Schwarzen Lochs führen kann, verstreut Elemente im Universum, die schwerer als Wasserstoff und Helium sind. Dazu gehören Metalle wie Gold, Silber und Platin ebenso wie Sauerstoff, Kohlenstoff und andere Elemente, die wir zum Überleben brauchen. Bei anderen katastrophalen Ereignissen, wenn etwa zwei Neutronensterne kollidieren, können ebenfalls schwere Metalle gebildet und verbreitet werden. In dieser Hinsicht sind Kleinkörper auch forensische Belege für die Explosionen oder Kollisionen von Sternen, die bereits seit langer Zeit tot sind.

Wegen großer Dinge haben wir jetzt eine Menge sehr kleiner Dinge. Und aus den kleinen Dingen erhalten wir wichtige Anhaltspunkte über unsere Vergangenheit – und über mögliche Ressourcen für unsere Zukunft. Die Erforschung dieser Objekte ist wichtig, auch wenn es keine Planeten sind.

Quelle

(THK)