Das neue Bild der Kometen

Im Clean-Room ist die Anspannung fast mit Händen zu greifen. Die kleine Gruppe von Planetenforschern trägt leuchtend weiße Schutzanzüge. Kein Staub soll die fragilen Proben kontaminieren. Eine aseptische Atmosphäre ist Alltag im Johnson Space Center der NASA. Das Neonlicht der Deckenbeleuchtung verstärkt den Eindruck. Jetzt beugen sich die Forscher über eine Vorrichtung aus Kunststoff und Aluminium: Der Staubkollektor ist mit einer Platte aus Plexiglas geschützt. Sicher abgeschirmt durch eine Glasscheibe verfolgen noch andere Experten das Geschehen. NASA-TV ist live auf Sendung. Die Welt soll dabei sein, wenn erstmals Proben eines Kometenschweifs unter die Lupe genommen werden. Ein lauter Jubelschrei, die Spannung löst sich: Donald Brownlee, Chef-Wissenschaftler der Stardust-Mission, reißt die Arme zum Victory-Zeichen hoch: „Großartig! Das ist mehr, als wir uns erhofft haben”, begeistert er sich.

So geschehen am 17. Januar 2006. Zwei Tage zuvor war die Rückkehrkapsel der NASA-Sonde in einem abgelegenen Testgebiet der US-Airforce in Utah gelandet. Was Brownlee begeisterte, war die kostbare Fracht, die der 46 Kilogramm schwere Flugkörper aus dem All mitgebracht hatte: Tausende winziger Kometenpartikel. Stardust hatte sie bereits zwei Jahre zuvor eingesammelt, als die Sonde durch die Koma von Wild 2 raste. Die Erwartungen waren gewaltig. Erstmals seit den Apollo-Flügen hatte ein Raumschiff Originalmaterie eines fremden Himmelskörpers in die Labors der Planetenforscher geholt.

Zwar hatten viele Raumsonden in den vergangenen Jahrzehnten vor Ort Analysen vorgenommen. Mehrfach gelangen sogar Landungen auf den Nachbarplaneten Mars und Venus, und eine Sonde ging auf einem Planetoiden nieder. Doch keine kehrte je mit Proben zurück. Stets mussten sich die Wissenschaftler mit den Messungen der automatischen Geräte begnügen. „Auch wenn solche Instrumente mittlerweile sehr weit entwickelt sind – sie können meist mit den besten Labors auf der Erde nicht mithalten”, sagt Frank Brenker vom Institut für Geowissenschaften in Frankfurt am Main.

Alte Krümel im Sonnensystem

Bei seinem Vorbeiflug an Wild 2 fing Stardust die Staubpartikel in einem Aerogel ein. Das fast transparente Material ist kaum schwerer als Luft und bestens geeignet, die mit sechs Kilometern pro Sekunde auf die Raumsonde prasselnden Staubteilchen sanft abzubremsen. Bald nach der Öffnung der Kapsel wurden die Proben weltweit verschickt. Über 170 Experten hatten sich auf die einzigartige Post vorbereitet, Brenker ist einer von ihnen. Mit seinen Kollegen röntgte der Geologe die Proben am europäischen Synchrotron in Grenoble, ohne sie aus dem Aerogel entfernen zu müssen.

Mit der energiereichen Röntgenstrahlung lassen sich die chemischen Elemente und Mineralien entschlüsseln, aus denen die Proben aufgebaut sind. „Größere Staubpartikel messen gerade einige Mikrometer”, meint Brenker. „Aber selbst so kleine Proben sind nicht homogen, sondern bestehen stets aus mehreren Mineralphasen. Der chemische Aufbau lässt sich mit dem Synchroton dreidimensional und in hoher räumlicher Auflösung analysieren.” Die Ergebnisse der Analysen haben etablierte Vorstellungen über die Bildung des Sonnensystems ins Wanken gebracht. Besonders ein einzelnes Staubkörnchen, das sich ins Aerogel gebohrt hatte, ließ die Forscher aufmerken. „Es handelt sich um ein kalziumhaltiges Körnchen, ein sogenanntes CAI”, erklärt Brenker. Die Abkürzung aus dem Englischen steht für „Kalzium-Aluminium-reiche-Inklusion” . Planetologen bezeichnen damit helle Krümel, die sie üblicherweise in bestimmten Meteoritentypen finden. Die bis zu zentimetergroßen Einschlüsse gehören zu den ältesten Stoffen im Sonnensystem.

Gebacken Mit Sonnenglut

Auch am Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz trafen Proben von Wild 2 ein. Dort bestimmte Peter Hoppe ihren Isotopen-Gehalt. Wenn der Astrophysiker nicht gerade Kometenstaub analysiert, untersucht er Proben, die er aus Meteoriten extrahiert hat. „CAIs hatte niemand in Kometen erwartet”, sagt Hoppe. Das mikrometergroße Stardust-Körnchen ist zwar erheblich kleiner als Meteoriten-CAIs, aber es enthält die gleichen Mineralien. Auch die Isotopenanalyse hat gezeigt, dass es eine verblüffende Ähnlichkeit zwischen den Meteoriten-CAIs und dem Stardust-Krümel gibt.

CAIs entstanden einst bei großer Hitze: Sie wurden nahe der Ursonne zusammengebacken. Passiert sein soll das innerhalb der Umlaufbahn des Merkur – lange bevor dort der sonnennächste Planet zu kreisen begann. Aus der eiskalten Geburtsstätte der Kometen kann das Körnchen jedenfalls nicht stammen. Das CAI-Fragment, das mit der Stardust-Kapsel zur Erde reiste, ist demnach vor fast 4,6 Milliarden Jahren quer durchs Sonnensystem geflogen – durch turbulente Prozesse im Urnebel getrieben, als das Sonnensystem viel staubiger war als heute.

Noch etwas überraschte die Forscher: Sternenstaub – winzige Partikel aus der Umgebung fremder Sterne – hatte die Sonde offenbar kaum aufgespürt. Lediglich ein 0,3 Mikrometer kleines Teilchen, weniger als ein Hundertstel so dick wie ein menschliches Haar, stellte sich klar als „interstellar” heraus. Der Mainzer Astrophysiker Hoppe erklärt: „Bislang vermutete man, dass Kometen – anders als Meteoriten – immer kalt gewesen sind und der uralte Sternenstaub deshalb die Jahrmilliarden dort besser überdauern konnte.” Doch das ist anscheinend falsch. Wild 2 ähnelt in seiner chemischen Zusammensetzung dem restlichen Sonnensystem. Immerhin fanden sich indirekte Hinweise auf Materie aus dem Weltraum zwischen den Sternen. „Das sind organische Moleküle, die sich wahrscheinlich einst in kalten interstellaren Wolken gebildet haben”, vermutet Hoppe. In ihnen habe sich das Stickstoff-15-Isotop angereichert.

Die fragilen Moleküle findet man nach dem Einschlag in den Stardust-Kollektor zwar nicht mehr, doch „das auffällige Isotopenverhältnis blieb als eine Art Fingerabdruck erhalten”. Gleich mit mehreren Methoden konnten Forscher organische Moleküle in Stardust-Proben nachweisen. Die Astrobiologen interessieren sich dabei besonders für komplexere Moleküle. Sie konnten sogenannte Polyzyklische Aromatische Kohlenwasserstoffe (englische Abkürzung: PAHs) dingfest machen. Solche PAHs kennen die Wissenschaftler auch von interstellaren Wolken und Meteoriten. Ob Kometen – wie bestimmte Meteoriten-Typen – wichtige molekulare Lebensbausteine beherbergen, beispielsweise Aminosäuren oder Zucker, ist noch unklar. Die Suche danach geht weiter.

Komet unter Beschuss

Die Forscher interessieren sich nicht nur für die Rolle der Kometen bei der Entstehung des Lebens, sondern auch für die Himmelskörper selbst. Wie sieht es unter ihrer sichtbaren Oberfläche aus? Dort wird der Urstoff aus der Zeit der Planetenbildung vermutet, denn im Untergrund, vor Kosmischer Strahlung und Mikrometeoriten geschützt, dürfte er die Jahrmilliarden weitgehend unverändert überdauert haben.

Die Deep-Impact-Mission sollte erstmals das Urmaterial ans Tageslicht befördern. Nach knapp einem halben Jahr Flugzeit war die US-Sonde Anfang Juli 2005 soweit: Eine 372 Kilogramm schwere Einschlagsonde wurde ausgeklinkt und auf Kollisionskurs gebracht. Die NASA-Ingenieure hatten gut gezielt: Nach kurzem Flug schlug der „Impaktor” – das hauptsächlich aus Kupfer bestehende Projektil – mit 37 000 Kilometern pro Stunde beim Kometen 9P/Tempel 1 ein. Dem Impaktor gelangen hochauflösende Fotos – die besten eines Kometenkerns bislang. Sie zeigen einen unregelmäßig geformten Brocken von etwa fünf Kilometer Durchmesser. Raue und glatte Gebiete wechseln auf seiner Oberfläche ab. Die besten Aufnahmen lassen wenige Meter große Details erkennen.

Aus sicherer Distanz, rund 500 Kilometer entfernt, verfolgte die Muttersonde die Kollision. Zuerst dokumentierte die Bordkamera den Lichtblitz des Einschlags. Nach der Analyse des Impakt-Experten Jay Melosh von der University of Arizona in Tucson enthielt sein Licht Informationen über den spektakulären Moment. Eine anfangs 3200 Grad Celsius heiße weißglühende Wolke war die unmittelbare Folge des Angriffs aus dem All. Sie dehnte sich rasch aus. Schon 0,26 Sekunden nach dem Einschlag waren die betreffenden Bildpunkte des lichtempfindlichen Chips der Bordkamera hoffnungslos überbelichtet. Dann nahm die Helligkeit wieder ab.

Melosh geht davon aus, dass die leuchtende Wolke aus winzigen Silikat-Tröpfchen bestand – rund vier Tonnen davon wurden beim Einschlag blitzartig geschmolzen. Sekundenbruchteile später wurde über dem Rand des Kerns etwas sichtbar, das wie ein Fallschirm aussah: aufgeworfenes Silikatmaterial, das sich allmählich abkühlte und aufhörte zu glühen. Angestrahlt von Sonnenlicht fiel es zum Kern zurück. Insgesamt wurden beim Einschlag schätzungsweise 1000 Tonnen Auswurfmaterial freigesetzt.

Doch das Innere des Schweifsterns blieb verborgen: Aufgewirbelter Staub versperrte den Blick auf den Krater. „Die mikroskopisch kleinen Staubpartikel müssen schon vor dem Einschlag auf der Oberfläche des Kerns gewesen sein”, sagt Michael A’Hearn von der University of Maryland. Soviel Material könne nicht durch den Einschlag selbst pulverisiert worden sein. Nach ihren Schätzungen reicht die lockere Staubschicht einige Dutzend Meter tief.

Weltweit beobachteten Astronomen die Kollision, am Boden und im Weltraum waren ihre Fernrohre auf Tempel 1 gerichtet. In einem Infrarot-Spektrum des Spitzer-Weltraumteleskopes der NASA identifizierten die Forscher schließlich eine unerwartete Spektrallinie: kristalline Silikate. Solche Substanzen entstehen erst bei hohen Temperaturen, jenseits von 700 bis 800 Grad Celsius. Nach den CAI-Fragmenten der Stardust-Proben also ein neues Indiz: In den Kometen schlummern offensichtlich Substanzen, die einst in einer heißen Zone des Sonnensystems entstanden sind. Frank Brenkers Gruppe aus Frankfurt fand kürzlich ein neues Puzzlestück: Die Forscher identifizierten eine zweite CAI im Stardust-Staub.

Generell scheint Wassereis seltener zu sein als bislang angenommen, auch das lesen die Forscher aus den Spektren von Tempel 1. Der Ausdruck vom „eisigen Schmutzball” macht nun die Runde, denn Staub scheint dort häufiger zu sein als Eis. Das ist auf den US-Astronom Fred Whipple gemünzt. Im Jahr 1950 prägte er für Kometenkerne den Begriff „eisige Konglomerate”. Sein Kernmodell, oft auch als „schmutziger Schneeball” bezeichnet, beschreibt den Kern als Mixtur aus Wassereis, gefrorenen Gasen und Gestein.

dunkler als asphalt

Seit Whipples Zeiten hat die Kometenforschung gewaltige Fortschritte gemacht. Sechs Raumsonden besuchten schon vor zwei Jahrzehnten den Halley’schen Kometen. Der europäischen Giotto-Sonde gelangen scharfe Fotos eines nie zuvor gesehenen Kometenkerns – er wirft kaum fünf Prozent des sichtbaren Sonnenlichts zurück, weniger als Asphalt. Mittlerweile haben drei weitere Sonden Kometen porträtiert. Auch ihre Oberfläche ist extrem dunkel. Wo steckt also das helle Eis, das in den Spektren der Koma deutliche Signaturen hinterlässt?

Eine Antwort gaben unlängst Yuri Skorov und Hans Uwe Keller vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung. Danach liegt das Kometen-Eis unter einer dunklen Staubschicht hauptsächlich aus Silikaten, die zwischen Bruchteilen eines Millimeters und zehn Zentimeter dick sein soll. „Dieser Staub ist sehr porös und ein ausgezeichneter Wärme-Isolator”, erklärt Skorov. „Nur an wenigen Stellen des Kometenkerns reicht Eis tatsächlich bis zur Oberfläche”. Denn dort sei es dafür fast überall zu warm – etwa 60 Grad Celsius, wie neue Messungen zeigen.

Immer wenn der Komet sich in Sonnennähe aufheizt, verliert die Oberflächenschicht ihre leicht flüchtigen Bestandteile. Unterhalb der staubigen Isolierschicht mischen sich Eis und Staub, wobei das Eis die Poren und Zwischenräume füllt. Deep-Impact-Forscher Michael Belton hat eine etwas andere Vorstellung. Er nennt sein Modell „geschichteter Haufen” (layered pile), denn er hat auf den Fotos des Kerns von Tempel 1 mehrere Schichten ausgemacht. Demnach besteht der äußere Kometenkern aus einer Mantelzone, die aus vielen kleineren Körpern aufgebaut ist.

Während die Theoretiker noch über ihren Modellen brüten, ist schon für neue Höhepunkte gesorgt: Seit 2004 fliegt die europäische Rosetta-Sonde dem Kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko entgegen. Erst 2014 wird sie in einen Orbit um den Kometenkern gelangen. Einige Monate später gibt es dann eine Premiere: Das Landegerät Philae setzt auf der Oberfläche des Kerns auf. Es entstammt einer deutschen Initiative und entstand mit starker deutscher Beteiligung. Ein 1:1-Modell des dreibeinigen Landers steht in der Eingangshalle des MPI für Sonnensystemforschung in Katlenburg-Lindau bei Göttingen. Dort werden die Resultate der letzten Missionen genau ausgewertet. Fest steht: Philaes Manöver wird ein Flug ins Ungewisse sein. Zwar hat der Rosetta-Orbiter den Auftrag, zuvor monatelang den Kern zu observieren und möglichst sichere Landeplätze zu suchen. Die Oberfläche soll dabei im Zentimetermaßstab abgelichtet werden – man darf sich also auf brillante Kometenbilder freuen. Doch wird der poröse Boden, auf dem Philae Proben analysieren und Panoramafotos schießen soll, den 100 Kilogramm schweren Lander tragen können?

Landung im Komentenstaub

„Wir sind auf alles vorbereitet, sei es Pulverschnee oder festes Eis”, sagte Berndt Feuerbacher von Deutschen Zentrum für Luft und Raumfahrt anlässlich des Rosetta-Starts. Wegen der geringen Schwerkraft müsse man sich hauptsächlich sorgen, sicher auf der Oberfläche zu bleiben. Deshalb hat Philae sogar eine Harpune, damit er gut im Boden verankert wird. Aber: „Die Festigkeit der Oberflächenschicht von Tempel 1 ist wahrscheinlich deutlich geringer als von Pulverschnee”, sagt Hermann Boehnhardt aus Katlenburg-Lindau. „Das sind die Resultate von Deep-Impact.”

Doch das ist nicht unstrittig, meint Boehnhardt: „Mit der Beobachtung der Kraterbildung hätte man die Oberflächenfestigkeit besser bestimmen können.” Weil das misslang, behalf man sich mit den ballistischen Bahnen des Auswurfmaterials, die auf einen bestimmten Festigkeitswert schließen lassen. „Wir sind dabei näherungsweise von einem Vakuum rund um den Kometen ausgegangen”, sagt der Astrophysiker. Eine grobe Näherung, denn Kometen sind in ihre gasförmige Koma gehüllt. Trotzdem haben die Ergebnisse für Verunsicherung gesorgt: Wird der erste Kometen-Lander im Staub versinken?

Vielleicht weiß Jürgen Blum bald Rat. Zurzeit versucht er, künstliche Kometenmaterie herzustellen. Seine Testmaterialien haben ähnliche physikalische Eigenschaften wie die Originalsubstanz. Die Materie, die der Physiker fabriziert, besteht hauptsächlich aus – nichts. „Staubkuchen” nennt er seine Laborprodukte. „Unsere Staubkuchen sind sehr porös, sie enthalten bis zu 93 Prozent leeren Raum”, sagt Blum.

Mit ähnlichen Gebilden hatte er bereits früher die Prozesse der Planetenbildung studiert, nun will er damit die Eigenheiten von Kometen analysieren – bequem von seinem Braunschweiger Laborsessel aus. Im „Staublabor” der Technischen Universität steht eine kleine Apparatur, die als Herzstück ein schnell rotierendes Zahnrad und ein Glasrohr besitzt. Mikrometerfeine Staubteilchen werden von dem Zahnrad einer Probe aus Siliziumdioxid oder Diamantstaub entnommen und in einen stark verdünnten Luftstrom injiziert. Diese Partikel folgen im Glasrohr dem Luftstrom.

Einige verklumpen bereits unterwegs – sie werden abgeschieden. Über dem Luftauslass ist ein Filter angebracht. Dort schlagen sich die Teilchen nieder und wachsen in einigen Stunden um rund 10 bis 15 Millimeter in die Höhe: ein Kuchen aus winzigen Staubpartikeln. In Festigkeit, Porosität und Wärmeleitung – allesamt wichtige Größen zum Verständnis des Stoffs, aus dem Kometen sind – ähneln die Braunschweiger Laborkuchen bereits recht gut dem Original. Nur ihre Chemie muss noch weiter verbessert werden: „Wir werden zusätzlich Wassereis einbauen”, sagt Blum. „Das wird bei realistischen Bedingungen passieren, also unter minus 130 Grad Celsius.” Möglicherweise helfen die Experimente bei einer sicheren Landung von Philae.

2011 werden die Kometen-Experten wohl wissen, ob der Kometenkern tragfähig ist. Dann soll Stardust Tempel 1 erreichen. Erstmals wird dann ein Komet nach seiner Sonnenumrundung wieder von einer Raumsonde besucht. Stardust soll den Krater ablichten, den Deep Impact geschlagen hat. Auch diese Sonde schickt die NASA noch nicht aufs Altenteil: Nach einem Vorbeiflug an der Erde am kommenden Silvestertag steht für Dezember 2008 ein Besuch des bislang kaum erforschten Kometen Boethin an. ■

THORSTEN DAMBECK, promovierter Physiker in Heidelberg, berichtet in bdw häufig über die Erforschung des Sonnensystems.

Thorsten Dambeck