Attacke im All

Anders bei DART: Die Raumsonde wurde eigens entwickelt, um die Position eines kleinen Planetoiden namens Dimorphos geringfügig zu verschieben. Und diese Machbarkeitsstudie war ein voller Erfolg. Eine Bedrohung war Dimorphos freilich nie – und ist es nach seiner orbitalen Manipulation auch jetzt nicht. Er umrundet die Sonne auf einer stark elliptischen Bahn einmal in 770 Tagen. Sie ist um 3,4 Grad gegen die Erdbahnebene geneigt und hat eine Sonnenentfernung vom 1,013– und 2,275-Fachen der Erde, schneidet den Erdorbit also nie. Dimorphos kann sich unserem Planeten momentan auf knapp sechs Millionen Kilometer nähern – dem 15-Fachen der Distanz unseres Mondes.

Entdeckt wurde Dimorphos am 20. und 23. November 2003 mittels Radio- und Radarmessungen der US-amerikanischen Observatorien Goldstone in Kalifornien und Arecibo auf Puerto Rico. Er ist mit einer Länge von 163 Metern nur eineinhalb Mal so groß wie ein Fußballfeld. Er bewegt sich nicht solo durchs All, sondern umkreist im Abstand von lediglich 1,1 Kilometern einen anderen, etwa 780 Meter großen Planetoiden: Diesen ursprünglich 1996 GT oder S/2003 (65803) genannten Himmelskörper hat der amerikanische Astronom Joseph L. Montani vom Kitt Peak National Observatory in Arizona bereits am 11. April 1996 erstmals mit einem 90-Zentimeter-Teleskop beobachtet. Später gab er ihm den Namen Didymos (griechisch für „Zwilling“), als klar geworden war, dass er einen Trabanten besitzt. Dieser wurde am 23. Juni 2020 von der Internationalen Astronomischen Union Dimorphos genannt – einer der kleinsten Himmelskörper überhaupt, dem eine solche irdische Ehrung zuteil wurde. Zuvor firmierte er nur unter der offiziellen Bezeichnung S/2003 (65803) 1 oder Spitznamen wie Didymoon. Den Namen Dimorphos (griechisch für „zweigestaltig, zwei Formen habend“) hatte der griechische Astronom Kleomenis Tsiganis von der Universität Thessaloniki vorgeschlagen, ein Mitglied des DART-Teams, weil die Umlaufbahn des Planetoidenmonds nach der gewalttätigen Begegnung mit der DART-Sonde eine andere sein sollte als bis dahin.

Start, Flug und Weltraumtests

DART ist am 24. November 2021 um 7.21 Uhr Mitteleuropäischer Zeit mit einer Rakete vom Typ Falcon 9 der Firma SpaceX vom Space Launch Complex 4 East der Vandenberg Space Force Base in Kalifornien nördlich von Los Angeles in den Weltraum geschossen worden. Es war der erste Westküsten-Start einer Raumsonde. Die 330 Millionen Dollar teure Mission wurde vom Johns Hopkins Applied Physics Laboratory in Laurel, Maryland, gebaut und betrieben; die Idee stammt von Andy Cheng. Finanziert hat DART hauptsächlich das Planetary Defense Coordination Office am Marshall Space Flight Center der NASA. Andere NASAInstitutionen unterstützten das Projekt.

Die DART-Mission hatte auch die Funktion eines Techniktests, weil hier Weltraumtechnologien zum Einsatz kamen, die nie zuvor bei Raumsonden ausprobiert worden waren. So wurde ein Roll Out Solar Array (ROSA) zur Energieversorgung verwendet: zwei je 8,5 mal 2,4 Meter große, flexible Solarpanele, die beim Start eingerollt waren. Ein ROSA-Prototyp war bereits 2017 auf der International Space Station getestet worden. Und das Ausrollen im All klappte auch bei DART vorzüglich.

Die Energieversorgung (3,5 Watt) nützte insbesondere einer weiteren Innovation, NEXT-C genannt (NASA’s Evolutionary Xenon Thruster – Commercial). Dieses am NASA Glenn Research Center in Cleveland, Ohio, entwickelte und von der Firma Aerojet Rocketdyne gebaute Ionentriebwerk basiert auf elektrisch geladenen, abgestrahlten Xenon-Partikeln, deren Rückstoßkraft eine Beschleunigung bewirkt. Dafür hatte DART eigens 60 Kilogramm Xenon an Bord. Auch andere Raumsonden zu Planetoiden und Kometen waren schon anstelle der traditionellen chemischen Antriebe mit solchen Ionentriebwerken ausgestattet worden, beispielsweise Dawn und Deep Space 1. Aber NEXT-C ist leistungsstärker und effizienter. Allerdings gab es technische Probleme, sodass der Ionenantrieb kaum zum Einsatz kam. Dies war auch nicht nötig, weil die Falcon-Rakete der Sonde bereits genug Schub mitgegeben hatte und Dimorphos auf Anhieb getroffen wurde – andernfalls hätte DART zwei Jahre später und einen zweiten Versuch machen können.

DART hatte nur ein wissenschaftliches Instrument an Bord, eine 8,7 Kilogramm schwere Kamera namens DRACO (Didymos Reconnaissance and Asteroid Camera for Optical navigation) an einem 21-Zentimeter-Spiegelteleskop. Zusammen mit einem System zur Flugkontrolle und mit speziell entwickelten SMART-Algorithmen (Small-body Maneuvering Autonomous Real Time Navigation) im Bordcomputer war DRACO dafür ausgelegt, Dimorphos im All eigenständig aufzuspüren, sodass DART ihn gezielt anfliegen konnte. Eine Steuerung von der Erde aus wäre nicht möglich gewesen.

Am 27. Juli 2022 entdeckte DRACO das Didymos-System aus 32 Millionen Kilometer Entfernung, worauf die DART-Sonde ihren Kurs anpasste. Dimorphos selbst wurde erst aus 22.000 Kilometer Distanz identifiziert, eine Stunde vor der Kollision.

Volltreffer!

Und dann ging alles sehr schnell. DART nahm das Ziel ins Visier, sandte immer detailliertere Fotos von Didymos sowie dann von Dimorphos zur Erde – von Steinen und Staub vollständig bedeckte Gerölllandschaften – und korrigierte noch zwei Minuten vor dem Einschlag seine Flugbahn. Das letzte vollständig übertragene Bild, gefunkt zwei Sekunden vor dem Crash, zeigte drei Zentimeter kleine Details pro Pixel. Vom nächsten Foto konnte nur noch ein schmaler Streifen übertragen werden, dann brach das Signal ab: In der Nacht des frühen 27. September 2022 um 1.14 Uhr Mitteleuropäischer Sommerzeit kollidierte die DART-Sonde wie geplant mit Dimorphos. Es war ein zentraler Volltreffer, wie sich aus den DRACO-Fotos erschließen ließ. Der Aufprall erfolgte mit einer Geschwindigkeit von 6,15 Kilometer pro Sekunde beziehungsweise über 22.000 Kilometer pro Stunde als Frontalkollision. Nach einer etwa zehn Monate und elf Millionen Kilometer langen Reise war der Kamikaze-Flug zu Ende.

DART war mit seiner Masse von 550 Kilogramm ein Leichtgewicht verglichen mit den rund fünf Milliarden Kilogramm von Dimorphos und den über 520 Milliarden Kilogramm von Didymos. Aber es ist nicht nur die Masse m, sondern auch die Geschwindigkeit v, die bei Kollisionen wirksam wird – genauer: der lineare Impuls p, das Produkt von Masse und Geschwindigkeit (p = mv). Er betrug zwar nur etwa 0,5 Prozent von Dimorphos’ Impuls, doch das reichte aus, um dessen Geschwindigkeit messbar zu ändern. Denn die kinetische Energie (E = mv2/2) von DART war enorm. Sie betrug beim Aufprall etwa zehn Milliarden Joule. Das entspricht einer Sprengkraft von drei Tonnen TNT. Und das ist nicht alles.

Durch die Kollision entstand ein Krater auf dem Planetoiden, und ein Teil seines Oberflächenmaterials wurde ins All gesprengt – erwartet wurde das 10- bis 100-Fache der Masse von DART. Gemäß Isaac Newtons Gesetz „Aktion gleich Reaktion“ führt ein solcher Ausstoß zu einer Gegenkraft. Dadurch wurde Dimorphos zusätzlich verlangsamt. Seine Bahn änderte sich also nicht nur durch den DART-Aufprall, sondern auch durch den Rückstoß, den die herausgeschlagene Materie erzeugte. Es war, als hätte der Kleinplanet dabei kurz einen eigenen Raketenmotor gezündet.

Wie viel Masse beim Einschlag freigesetzt werden würde, hatten Forscher im Vorfeld kontrovers diskutiert. Die Menge hängt hauptsächlich von der Zusammensetzung des Planetoiden ab. Wenn sein Gestein, Staub und Eis ein lockeres Gemisch bilden, müsste mehr davon aufgewühlt und weggesprengt werden als bei einer dichten, kompakten Agglomeration.

Staub und Schweif

Um festzustellen, wie schnell und in welchen Mengen Material DART aus Dimorphos herausschlug, haben zahlreiche Teleskope im Weltraum und auf der Erde den Kleinkörper beobachtet. Direkt vor Ort war eine Kleinsonde namens LICIACube (Light Italian CubeSat for Imaging of Asteroids), gebaut von der Italienischen Weltraumagentur ASI (Agenzia Spaziale Italiana). Das nur 14 Kilogramm schwere Gerät ist zusammen mit DART zu dem Doppelplanetoiden geflogen, quasi huckepack, und hat sich 15 Tage vor der Kollision von der Muttersonde getrennt. LICIACube ist nur so groß wie ein Schuhkarton und mit zwei einfachen Kameras namens LUKE und LEIA ausgestattet worden (in Anspielung auf die beiden Hauptpersonen im Kinofilm „Krieg der Sterne“). Die Kleinsonde passierte Dimorphos in 56,7 Kilometer Minimaldistanz drei Minuten nach dem DART-Einschlag. Von dessen Folgen glückten 640 Aufnahmen aus weniger als 700 Kilometer Entfernung. Sie zeigen eine sich ausdehnende Trümmerwolke, die das Sonnenlicht reflektierte, sowie Staubschwaden, deren Größe und Komplexität die Forscher erstaunte. „Wir trauten unseren Augen nicht“, kommentierte ASI-Präsident Giorgio Saccoccia.

Auch Weltraumteleskope nahmen Dimorphos ins Visier. Das neue James Webb Space Telescope beobachtete die Trümmerwolke 3,5 Stunden nach dem Einschlag im nahen Infrarot. Das Hubble-Teleskop machte Bilder von Staubstrukturen 0,4, 5,0 und 8,2 Stunden nach der Kollision.

Auf der Erde verfolgten über drei Dutzend Sternwarten ebenfalls wiederholt die Ereignisse. Darunter waren Riesenteleskope wie in Chile das Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte und das 4,1-Meter SOAR-Teleskop (Southern Astrophysical Research Telescope) und auf Hawaii ein 3,6-Meter-Spiegelteleskop. Hinzu kamen kleinere Instrumente: etwa das Lowell Discovery Telescope in Arizona, die ATLAS-Teleskope in Südafrika und auf Hawaii (Asteroid Terrestrial-impact Last Alert System) sowie Teleskope des weltweit verteilten Las Cumbres Observatory.

Bald schon stand fest, dass Dimorphos beziehungsweise seine Umgebung mehrere Stunden lang um drei Größenklassen heller wurde – also um das 16-Fache. Die seitlichen Staubfächer lösten sich in den folgenden Tagen auf. Aber bereits 78 Stunden später war ein über 8000 Kilometer langer Staubschweif zu erkennen, der immer länger wurde und auch Ende November noch fotografiert werden konnte. Hubble-Aufnahmen zeigten zudem, dass sich der Schweif teilte.

Ob das freigesetzte Material komplett beim DART-Einschlag ins All entwich oder zusätzlich später noch, ob Dimorphos also vielleicht sogar eine kleine Kometenaktivität ausgebildet hat, ist unklar. Fernando Moreno vom Andalusischen Institut für Astrophysik im spanischen Granada, ein Spezialist für solche Phänomene, vermutet, dass der Einschlag als Quelle genügte: „Es scheint, dass der Schweif durch ein impulsives Ereignis allein erklärbar ist, Emissionen im Nachhinein sind nicht nötig.“

Mit der Zeit zerstreuen sich die Partikel im All, die kleineren zuerst. Denn das Gravitationsfeld der beiden Planetoiden ist sehr gering, ihre Relativbewegung führt zu Störungen, und schließlich tut auch der Strahlungsdruck der Sonne sein Werk.

Erfolgreiche Bahnablenkung

Die wichtigste Frage war, wie sich die Umlaufbahn von Dimorphos nach dem Einschlag verändert hat. Dies ließ sich mit der Transit-Methode klären, weil sich Dimorphos von der Erde aus gesehen immer wieder durch den Schatten von Didymos bewegt und anschließend diesen beschattet. Daraus resultiert eine geringfügige Abnahme der Gesamthelligkeit des Paars. Aus der Zeitfolge dieser messbaren Veränderungen lässt sich die Umlaufgeschwindigkeit errechnen. Diese für Astronomen sehr praktische Himmelskonstellation war auch der Grund, warum Dimorphos überhaupt als Ziel für die DART-Mission ausgewählt wurde. Denn es ist viel schwieriger festzustellen, ob sich der Orbit eines Einzelplanetoiden um die Sonne geringfügig verändert.

Die Kollision mit DART hat den Planetoidenmond etwas näher an Didymos gedrückt, was aufgrund des größeren Gravitationseinflusses dazu führte, dass Dimorphos nun etwas schneller seine Runden zieht. Die Messungen zeigten, dass sich seine Umlaufzeit um etwa 32 Minuten verkürzt hat (Unsicherheit plus/minus zwei Minuten): von 11 Stunden und 55 Minuten auf 11 Stunden und 23 Minuten. Das ist mehr, als die meisten Spezialisten erwartet hatten. Optimistische Schätzungen gingen von zehn Minuten aus. Die NASA hatte im Vorfeld definiert, dass die Mission bereits ein Erfolg sei, wenn die Orbitalverkürzung mindestens 73 Sekunden betragen hätte – ein 25stel des nun gemessenen Werts.

Das Resultat gab die NASA am 11. Oktober bekannt. Es basiert auf Messungen von vier Teleskopen in Chile und Südafrika. Sie haben das Paar zunächst jede Nacht ins Visier genommen. Ihr Auflösungsvermögen reichte nicht aus, um die beiden Himmelskörper getrennt zu fotografieren, die Empfindlichkeit aber genügte, um die Veränderungen der Helligkeit zu messen. Die Daten aller vier Teleskope ließen auf den verkürzten Orbit von 11 Stunden und 23 Minuten schließen. Bestätigt wurde dies mit Radarmessungen des Goldstone Solar System Radar in Kalifornien und dem Green Bank Observatory in West Virginia. Damit ließ sich der neue Orbit auf eine unabhängige und direkte Weise bestimmen.

„DART hat den armen kleinen Dimorphos drastisch beeinflusst“, sagt Green Banks Direktor Jim Jackson. „Das ist ein sehr aufregendes und vielversprechendes Resultat im Hinblick auf eine planetare Verteidigung“, stimmt Nancy Chabot vom Johns Hopkins Applied Physics Laboratory zu. Sie hütet sich jedoch vor Übertreibungen, denn die Bahnänderung betrug gerade einmal vier Prozent. „Dimorphos erhielt nur einen kleinen Schubser.“

Dies schmälert aber nicht den Erfolg der DART-Mission. Ein solcher „Schubser“ könnte im Ernstfall die Erde auch vor dem Einschlag eines größeren Planetoiden retten – vorausgesetzt, er erfolgt rechtzeitig. Denn schon kleinste Bahnveränderungen führen in kosmischen Maßstäben zu großen Änderungen. Lange Vorwarnzeiten sind also der entscheidende Faktor.

Planetare Verteidigung

„Wir haben den ersten Test der Menschheit zur planetaren Verteidigung unternommen, und wir haben der Welt gezeigt, dass die NASA es ernst meint mit dem Schutz unseres Planeten“, verkündete Bill Nelson, der Administrator der US-amerikanischen Weltraumbehörde, nach dem erfolgreichen DART-Crash nicht ohne Stolz und Pathos. „Die NASA versucht bereit zu sein, für was auch immer das Universum uns entgegenwirft. Würde ein Planetoid, der die Erde bedroht, frühzeitig entdeckt, könnten wir ihn ablenken.“

„Zum ersten Mal überhaupt hat die Menschheit die Umlaufbahn eines Himmelskörpers verändert“, sagt Lori Glaze, die Direktorin der Planetary Science Division der NASA. „Wir werden noch lange aus diesem Ereignis lernen.“ Ihr NASA-Kollege Tom Statler, DART-Programmwissenschaftler, stimmt zu: „Wir haben noch viel Arbeit vor uns, um genau zu verstehen, was geschehen ist.“

Um Dimorphos aus nächster Nähe zu studieren und seinen neuen Einschlagskrater zu inspizieren, will die Europäische Raumfahrtagentur ESA Ende 2024 eigens eine Raumsonde mit einer Falcon-9-Trägerrakete starten: Hera. Der Auftrag zum Bau für knapp 130 Millionen Euro wurde am 15. September 2020 an die Firma OHB in Bremen vergeben. Die bis zu 2,2 Meter große Sonde wird eine Startmasse von 1050 Kilogramm haben und, so der Plan, 2026 den Doppelplanetoiden erreichen, um das System detailliert zu erforschen – einschließlich einer exakteren Bestimmung der Bahnparameter und Massen. Erst dann werden sich die Auswirkungen des DART-Crashs und die Beschaffenheit von Dimorphos genau klären lassen. Aufschlussreich wird auch die Analyse von dem durch DART freigesprengten frischen Material sein, das keine Jahrmilliarden lang der Verwitterung ausgesetzt war wie die Umgebung. An Hera angeflanscht, werden zwei Kleinsatelliten namens Juventas und Milani mitfliegen, die mit Kamera, Radar, Spektrometer und Gravimeter ausgestattet sind. Juventas soll sogar versuchen, auf Dimorphos zu landen.

Von den Planetoiden, die ungefähr so groß wie Dimorphos sind, kennen wir nur etwa 40 Prozent, meint Jessica Sunshine von der University of Maryland in College Park. „Ein solcher Brocken könnte eine ganze Stadt vernichten“, sagt die Planetenwissenschaftlerin, die zum DART-Team gehört.

Astronomen – und Forschungsgeldgeber – sind daher weiterhin gefordert, den erdnahen Weltraum nach Bedrohungen abzusuchen. Das geschieht auch, und es wird immer effizienter. So wurde im Oktober 2022 das Space Surveillance Telescope im westaustralischen Exmouth eingeweiht, das von der Royal Australian Air Force in Zusammenarbeit mit der U.S. Space Force betrieben wird und unter anderem nach NEOs fahndet und den Weltraummüll in Erdumlaufbahnen verfolgt. Die NASA wird 2026 sogar ein kleines Infrarot-Weltraumteleskop zur umfassenden NEO-Suche starten, den Near-Earth Object Surveyor.

Noch ist die Menschheit für beziehungsweise gegen den Fall der Fälle nicht gerüstet. Aber die DART-Mission hat demonstriert, dass sich tatsächlich kleine Planetoiden nicht nur gezielt anfliegen, sondern auch von ihrer Bahn abbringen lassen, dass wir also den Kurs eines solchen Himmelskörpers absichtlich verändern können. Dimorphos war kein Ernstfall, sondern lediglich ein Test – jedoch ein sehr erfolgreicher. Das stimmt zuversichtlich: Die Menschheit ist den außerirdischen Naturgewalten nicht mehr völlig schutzlos ausgeliefert. Sie kann sich wehren.